Come sono nati i buchi neri supermassicci che oggi troneggiano come gigantesche sentinelle al centro di molte galassie? All’inizio si partiva dall’ovvio: I giganti sono cresciuti accrescendo altra materia o consumando buchi neri, cioè fondendosi con essi. Passo dopo passo, dal piccolo al medio all’enorme. Ma questo concetto ha alcuni problemi. In primo luogo, non siamo ancora riusciti a individuare gli stadi intermedi necessari. Dovrebbero esistere ancora, ma finora abbiamo trovato solo piccoli buchi neri – o quelli veramente grandi. Il problema numero due è che sembra esserci stato troppo poco tempo per questo processo di crescita. Osservazioni recenti suggeriscono che i buchi neri supermassicci si sono formati già all’inizio dell’universo, molto prima di quanto i fisici avessero ipotizzato in precedenza. Questa scoperta lascia poco tempo per spiegare la crescita dei buchi neri supermassicci.

La velocità alla quale la materia può accumularsi nei buchi neri attraverso l’accrescimento è limitata. E come potrebbero i buchi neri essere in grado di fondersi tra loro quando le galassie stavano appena iniziando a formarsi nell’universo primordiale? Le particelle ultraleggere della materia oscura potrebbero essere il pezzo mancante del puzzle, se i fisici teorici Hooman Davoudiasl, Peter Denton e Julia Gehrlein dello US Department of Energy’s (DOE) Brookhaven National Laboratory hanno ragione. I ricercatori immaginano una transizione di fase cosmologica che ha permesso la formazione di buchi neri supermassicci in un settore oscuro dell’universo. Una transizione di fase avviene anche quando si porta l’acqua ad ebollizione. Quando l’acqua raggiunge la giusta temperatura, si scompone in bolle e vapore. I fisici stanno ora trasferendo questo processo a uno stato primordiale della materia, ma invertendolo in modo che abbia un effetto di raffreddamento, e scalandolo fino alle dimensioni dell’universo.

“Prima che ci fossero le galassie, l’universo era caldo e denso, questo è ben noto. Come l’universo si sia raffreddato fino a quello che osserviamo oggi è una domanda interessante, perché non abbiamo dati sperimentali che descrivano come sia successo”, dice Peter Denton. “Possiamo prevedere cosa è successo alle particelle conosciute perché spesso interagiscono tra loro. Ma se là fuori ci fossero particelle non ancora conosciute che si comportano diversamente?”. Per affrontare questa domanda, il team di Brookhaven ha sviluppato un modello per un settore oscuro dell’universo dove le particelle che non sono ancora state scoperte sono abbondanti e raramente interagiscono tra loro. Queste particelle potrebbero includere la materia oscura ultraleggera, che si prevede essere 28 ordini di grandezza più leggera di un protone. “La frequenza delle interazioni tra le particelle conosciute suggerisce che la materia come la conosciamo non sarebbe collassata in modo molto efficiente nei buchi neri”, ha detto Denton. “Ma se ci fosse stato un settore oscuro con materia oscura ultraleggera, l’universo primordiale avrebbe potuto avere le condizioni giuste per una forma molto efficiente di collasso. Abbiamo teorizzato che le particelle nel settore oscuro potrebbero subire una transizione di fase che permette alla materia di collassare in buchi neri in modo molto efficiente. Quando la temperatura nell’universo è giusta, la pressione può improvvisamente scendere a un livello molto basso, permettendo alla gravità di prendere il sopravvento e alla materia di collassare”.

Per gli spettatori, una tale transizione di fase sarebbe un evento molto drammatico, e questo è qualcosa che i ricercatori possono usare per testare la loro idea. “Questi crolli sono un grosso problema. Emettono onde gravitazionali”, dice Denton. “Queste onde hanno una forma caratteristica, quindi facciamo una previsione per quel segnale e la sua gamma di frequenza prevista”. Gli attuali esperimenti di onde gravitazionali, tuttavia, non sono purtroppo abbastanza sensibili per confermare la teoria. Ma gli esperimenti di prossima generazione potrebbero già essere in grado di rilevare i segnali di queste onde. Questo non solo ci direbbe qualcosa sull’evoluzione dell’universo, ma anche sull’ancora minacciosa materia oscura che deve essere stata coinvolta nella transizione di fase.