I buchi neri primordiali sono rimasti per decenni uno dei concetti più affascinanti dell’astronomia.
Ora, i ricercatori dell’Università di Miami ritengono che una recente rilevazione di onde gravitazionali potrebbe avvicinare gli scienziati alla conferma dell’esistenza di questi antichi oggetti, una svolta che potrebbe anche contribuire a risolvere l’annoso mistero della materia oscura.
Si ritiene che i buchi neri primordiali si siano formati durante la prima frazione di secondo dopo il Big Bang, molto prima che esistessero le prime stelle o galassie. A differenza dei buchi neri creati dal collasso delle stelle, questi oggetti ipotetici potrebbero variare in dimensioni, da qualcosa di piccolo come un asteroide a corpi molto più grandi.
Sebbene non sia mai stata confermata l’esistenza di un buco nero primordiale, gli scienziati ritengono che questi potrebbero rispondere a diverse domande fondamentali sull’universo. Una delle più importanti riguarda la natura della materia oscura, la sostanza invisibile che costituisce circa l’85% di tutta la materia e che fornisce l’attrazione gravitazionale che contribuisce a tenere unite le galassie.
“Riteniamo che il nostro studio contribuirà a confermare la loro effettiva esistenza”, ha affermato Nico Cappelluti, professore associato presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Miami, riferendosi alla ricerca condotta con il dottorando Alberto Magaraggia.
Un segnale LIGO insolito
Il loro lavoro si basa su una possibile scoperta segnalata dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), che alla fine dello scorso anno ha rilevato un segnale di onde gravitazionali insolito. Le onde gravitazionali sono increspature dello spaziotempo prodotte da alcuni degli eventi più violenti dell’universo, tra cui le collisioni tra buchi neri.
La maggior parte dei buchi neri conosciuti si forma in seguito all’esplosione di stelle massicce come supernove. Le loro masse variano tipicamente da diverse volte la massa del Sole a miliardi di masse solari.
“I buchi neri più comuni si formano a seguito di una supernova, ovvero la morte di una stella massiccia. Pertanto, le loro masse possono variare da poche volte la massa del Sole a miliardi di masse solari”, ha spiegato Cappelluti.
A novembre, però, LIGO ha emesso un allarme automatico per una fusione in cui almeno un oggetto sembrava avere una massa inferiore a quella solare. Un buco nero così piccolo sarebbe difficile da spiegare attraverso la convenzionale evoluzione stellare e potrebbe invece indicare la presenza di un buco nero primordiale.
Non tutti ne sono convinti. Alcuni astrofisici hanno ipotizzato che il segnale possa essere semplicemente rumore di fondo all’interno dei rivelatori estremamente sensibili di LIGO, piuttosto che la prova di una nuova e straordinaria scoperta.
Potrebbe questo spiegare la materia oscura?
Cappelluti e Magaraggia sostengono che l’oggetto rilevato si spieghi al meglio come un buco nero primordiale formatosi nelle dense condizioni dell’universo primordiale, molto prima che esistessero le stelle.
Per verificare questa ipotesi, i ricercatori hanno stimato quanti buchi neri primordiali potrebbero esistere nell’universo e con quale frequenza LIGO dovrebbe rilevarli.
“Abbiamo cercato di stimare quanti buchi neri primordiali possano esistere nell’universo e quanti di essi LIGO dovrebbe essere in grado di rilevare”, ha affermato Magaraggia. “E i nostri risultati sono incoraggianti. Prevediamo che i buchi neri subsolari come quello che LIGO potrebbe aver osservato dovrebbero essere effettivamente rari, in linea con la scarsa frequenza con cui tali eventi sono stati osservati finora.”
Le loro scoperte, pubblicate su The Astrophysical Journal , suggeriscono che il misterioso segnale LIGO non ha una spiegazione astrofisica convenzionale ed è più compatibile con un buco nero primordiale.
Lo studio “suggerisce che la spiegazione più plausibile per il segnale LIGO, che non trova alcuna spiegazione astrofisica convenzionale, sia il rilevamento di un buco nero primordiale”, ha affermato Cappelluti. “E la nostra ricerca indica che questi buchi neri primordiali potrebbero rappresentare una parte significativa, se non la totalità, della materia oscura”.
Ciò nonostante, entrambi i ricercatori sottolineano che una singola rilevazione non è sufficiente a risolvere la questione.
Per ora, gli scienziati devono attendere per vedere se LIGO e i suoi partner internazionali registreranno ulteriori eventi che corrispondano allo stesso schema.
“LIGO ha rilevato una prova molto forte dell’esistenza di questi tipi di buchi neri. Ma avremo bisogno di rilevare un altro segnale simile, o addirittura diversi altri, per ottenere la conferma definitiva della loro esistenza”, ha affermato Cappelluti. “Quel che è certo, però, è che non si può escludere la loro esistenza.”
Una teoria in fase di elaborazione da decenni.
Il concetto di buchi neri primordiali risale all’epoca della Guerra Fredda, quando gli scienziati sovietici Yakov Zeldovich e Igor Novikov ne proposero per la prima volta l’esistenza. Nei primi anni ’70, Stephen Hawking ampliò l’idea, sostenendo che questi oggetti potrebbero essere numerosi in tutto l’universo, emettere radiazioni e potenzialmente spiegare la materia oscura.
In seguito, LIGO ha offerto la prima opportunità di cercare prove a sostegno di tali teorie. Il 14 settembre 2015, l’osservatorio ha fatto la storia rilevando per la prima volta le onde gravitazionali, confermando un’importante previsione della teoria della relatività generale di Albert Einstein e aprendo una strada completamente nuova allo studio dell’universo.
Il futuro dell’astronomia delle onde gravitazionali
LIGO è composto da due osservatori situati a Hanford, nello Stato di Washington, e a Livingston, in Louisiana. Insieme al rivelatore Virgo in Italia e all’osservatorio sotterraneo KAGRA in Giappone, formano la collaborazione internazionale LVK, che ha lo scopo di individuare i buchi neri, regioni dello spazio in cui la gravità è così forte che nemmeno la luce può sfuggire.
Gli aggiornamenti previsti renderanno LIGO ancora più sensibile, aumentando le sue possibilità di trovare ulteriori potenziali buchi neri primordiali. Tuttavia, i due rivelatori a forma di L dell’osservatorio, ciascuno con bracci a vuoto lunghi 4 chilometri, sono stati progettati per rilevare le onde gravitazionali ad alta frequenza prodotte da collisioni cosmiche relativamente recenti, non le onde generate direttamente durante il Big Bang stesso.
Gli osservatori del futuro estenderanno questa capacità di osservazione molto più indietro nel tempo. Si prevede che l’antenna spaziale interferometrica laser (LISA) dell’Agenzia Spaziale Europea, il cui lancio è previsto per il 2035, rileverà onde gravitazionali provenienti dalle epoche più remote dell’universo, successive al Big Bang.
Un altro strumento in programma, il Cosmic Explorer, è attualmente in fase di progettazione negli Stati Uniti. I ricercatori prevedono che sarà circa 10 volte più sensibile di LIGO, consentendo di rilevare fusioni di buchi neri e stelle di neutroni risalenti all’epoca in cui si sono formate le prime stelle.
Abstract
La rilevazione di buchi neri di massa subsolare è una pietra miliare dell’astrofisica moderna, poiché aprirebbe una finestra su una nuova fisica stellare o potrebbe potenzialmente svelare la natura della materia oscura come buchi neri primordiali (PBH). Il 12 novembre 2025, la collaborazione LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) ha segnalato il candidato alla fusione di un sistema binario compatto S251112cm, un sistema senza un’ovvia controparte elettromagnetica, coerente con la fusione di buchi neri binari con una massa chirp nell’intervallo 0,1-0,87 . M⊙ La probabilità che almeno una componente abbia massa <1 M⊙ è >99%. Ispirati da questo segnale, abbiamo verificato se una popolazione di PBH formatisi nell’epoca della cromodinamica quantistica con un’ampia funzione di massa potesse spiegare un segnale di questo tipo. I nostri risultati, corrispondenti a un tasso di eventi previsto di 0,8 yr −1 come osservato da LVK O3b, suggeriscono che il tasso di fusione osservato di
Se l’evento scatenante fosse confermato come astrofisico, sarebbe compatibile con tale modello. Il nostro tasso di rilevamento previsto è anche in accordo con le attuali aspettative di LVK per le binarie di massa stellare, rimanendo coerente con uno scenario in cui una frazione non trascurabile delle fusioni 3-200 osservate M⊙ da LVK ha origine da PBH. Se confermato, questo rilevamento porrebbe un limite inferiore all’abbondanza di PBH f PBH > 0,04 per il nostro modello adottato.
Materiale fornito dall’Università di Miami . Testo originale di Robert C. Jones Jr. Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Alberto Magaraggia, Nico Cappelluti. Implications for Primordial Black Hole Dark Matter from a Single Subsolar Mass Gravitational-wave Detection in LVK O1–O4. The Astrophysical Journal, 2026; 1000 (2): 262 DOI: 10.3847/1538-4357/ae48f9
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