Il breve post "Abbiamo visto un buco nero esplodere?" da poco pubblicato dall'amico Luigi Bignami richiama il contenuto dell’articolo “Explaining the PeV Neutrino Fluxes at KM3NeT and IceCube with Quasi-Extremal Primordial Black Holes” pubblicato da M. J. Baker, J. Iguaz Juan, A. Symon, ed A. Thamm su Physical Review Letters nel 2025 (vedi arXiv:2505.22722). Di recente i due grandi rilevatori di neutrini IceCube (al Polo Sud) e KM3NeT (nel Mediterraneo) hanno segnalato la presenza di particelle con energie eccezionalmente elevate fino a centinaia di PeV, cioè milioni di miliardi di elettronvolt.
Si tratta di energie incredibilmente superiori a quelle raggiungibili all'interno dei più grandi acceleratori (LHC), difficili da spiegare anche chiamando in causa le sorgenti astrofisiche più estreme quali le supernove oppure i getti relativistici di galassie attive.
L’origine di queste particelle rimane un mistero e la domanda che si sono posti gli autori dell'articolo è stata: potrebbe un singolo evento così energetico essere il segnale della “morte” di un buco nero primordiale? L’idea non è nuova: da decenni si ipotizza che i buchi neri primordiali (1) possano terminare la loro vita in una fase estremamente violenta durante la quale l’evaporazione - ad opera dele la radiazione di Hawking (2) - diventi rapidissima e la temperatura cresca rapidamente fino a raggiungere il regime in cui gli effetti di gravità quantistica diventano dominanti, producendo così un lampo finale di particelle ultra-energetiche, tra le quali neutrini (questa fase viene spesso descritta in modo informale come una vera e propria “esplosione cosmica”).
L'articolo citato propone però un’idea più sottile ed intrigante: secondo gli autori i neutrini ultra-energetici osservati da IceCube e KM3NeT potrebbero non provenire dall’ultimo istante di vita di un singolo buco nero, ma da una popolazione di buchi neri primordiali quasi-estremi, una classe particolare caratterizzata dall’essere molto piccoli e con parametri, quali carica o spin, estremamente vicini ai limiti massimi consentiti dalla teoria. (3)
In questo scenario questo tipo di buchi neri non si comporta come quelli “standard”: la loro evaporazione risulterebbe fortemente rallentata e potrebbero sopravvivere per tempi cosmologici, rimanendo sospesi sull’orlo dell’evaporazione completa senza mai raggiungere la fase esplosiva finale.
Anche senza “esplodere”, continuerebbero ad emettere radiazione di Hawking ma in modo altamente selettivo: la produzione di neutrini con energie dell’ordine del PeV risulterebbe soppressa, mentre l’emissione di neutrini ad energie molto più elevate, dell’ordine di decine o centinaia di PeV, potrebbe risultare sorprendentemente efficiente.
Questo meccanismo consente di riconciliare le osservazioni di IceCube e KM3NeT, che sembrano indicare spettri energetici differenti, ed offre una nuova chiave di lettura del legame tra neutrini ultra-energetici e buchi neri primordiali: invece di interpretare questi neutrini come segnali rari e transitori, legati alla fase finale di evaporazione di singoli PBH, il modello suggerisce che essi facciano parte di un flusso diffuso e continuo prodotto da una popolazione cosmica di buchi neri quasi-estremi nel corso della storia dell’Universo. Se questa ipotesi risultasse corretta, le implicazioni sarebbero straordinarie: i neutrini diventerebbero messaggeri diretti della radiazione di Hawking, i buchi neri primordiali potrebbero rappresentare una frazione significativa o addirittura la totalità della materia oscura, ed emergerebbero nuove interazioni e simmetrie oltre il Modello Standard della fisica delle particelle (4).
L'articolo costituisce quindi un' interessante proposta avanzata per dar conto di alcune osservazioni, ma ritengo opportuno approfondire quali siano i modelli che prevedono un'esplosione come fenomeno di fine vita di un buco nero.
Iniziamo col precisare che nei modelli standard i buchi neri non esplodono ma restano oggetti silenziosi, divoratori di materia e luce.
Sono state tuttavia sviluppate diverse teorie alternative che prevedono un'uscita di scena "spettacolare" di questi corpi celesti: qui di seguito un breve elenco partendo dal modello più "solido" a quello più radicale:
Secondo il modello di Hawking i buchi neri perdono massa lentamente (tramite il meccanismo che porta il suo nome) e, al diminuire della massa, la temperatura cresce e l’evaporazione accelera. Negli istanti finali della vita di un buco nero il rilascio di energia potrebbe essere violentissimo, producendo raggi gamma e particelle ad altissima energia. Questo non ha nulla a che fare con il meccanismo alla base delle supernove: si tratta infatti della scomparsa dell’orizzonte degli eventi. Una descrizione dell’ultimo istante di un buco nero richiede tuttavia di aver a disposizione una teoria completa di gravità quantistica, cosa che al momento non possediamo.
L'Instabilità quantistica dell’orizzonte: altri modelli suggeriscono che l’orizzonte degli eventi non sia perfettamente stabile e che effetti quantistici accumulati possano causarne una rottura improvvisa, con rilascio rapido dell’energia immagazzinata, che provocherebbe una possibile distruzione o ristrutturazione dell’orizzonte. Questa ipotesi è collegata a modelli che ipotizzano esistenza di firewall, violazioni locali della relatività generale o nuove strutture microscopiche dell’orizzonte: fino ad oggi tuttavia non disponiamo di alcuna conferma osservativa.
La transizione da buco nero a buco bianco: un modello che si collega alla Loop Quantum Gravity (LQG) sviluppata da Rovelli, Haggard ed altri. Il collasso del corpo che ha dato luogo al buco nero troverebbe ad un certo punto un equilibrio: là dove la densità raggiunga valori di Planck, la gravità diverrebbe repulsiva, il collasso si arresterebbe ed il buco nero "rimbalzerebbe" trasformandosi in un buco bianco iniziando ad espellere materia ed informazione (dal punto di vista esterno il processo può richiedere tempi cosmologici prima di manifestarsi; ad un osservatore apparirebbe come un'improvvisa esplosione dal nulla). Si tratta di uno dei pochi modelli proposti in grado di eliminare la singolarità, preservare l’informazione e restare matematicamente coerente (all'interno della LQG).
I buchi neri primordiali che danno luogo ad esplosioni osservabili: se esistessero buchi neri primordiali molto piccoli, oggi potrebbero trovarsi nella fase finale di evaporazione producendo così brevissimi lampi gamma. Sono state cercate evidenze di questo fenomeno in eventi gamma ultra-corti o possibili sorgenti di raggi cosmici, ma finora senza successo.
I modelli radicali: nell'ambito di teorie molto distanti dai modelli oggi più accettati sono previsti effetti simili. La teoria delle stringhe implica instabilità topologica che potrebbe dar luogo a "esplosioni" laddove i modelli che ipotizzano l'esistenza di dimensioni extra prevedono un processo di evaporazione accelerata; modelli basati sul decadimento del vuoto (vacuum decay) ipotizzano possa esser innescato da un buco nero. Tutti quanti i modelli radicali prevedono esplosioni, ma sono altamente modello-dipendenti e molto lontani dalla possibilità di verifica con i mezzi attuali.
Facciamo ora un ulteriore passo provando ad immaginare come apparirebbe un’esplosione di buco nero ad un osservatore (se mai riuscissimo ad osservarla): cosa dovremmo aspettarci di "vedere"? La risposta non è immediata perché la percezione dipende fortemente dalla posizione di chi osserva.
Per un osservatore lontano, che guarda il buco nero da anni luce di distanza, l’esplosione non sarebbe una palla di fuoco luminosa come una supernova.
Durante quasi tutta la sua vita un buco nero è invisibile: l’oggetto resta nero e silenzioso.
Secondo le previsioni di Hawking solo nella fase finale del processo di evaporazione, quando la massa residua è piccolissima e la temperatura sale vertiginosamente, l’emissione accelera e diventa estremamente energetica: in quel momento il buco nero rilascia un lampo brevissimo di raggi gamma e particelle ultra-energetiche che potrebbe apparire nelle vesti di un gamma-ray burst ultra-corto, improvviso e concentrato, con durata misurabile in microsecondi o ancor meno.
Nulla esce dall’orizzonte prima della fine: quello che vediamo è solo il momento in cui l’orizzonte scompare.
Per chi si trovasse a cadere verso il buco nero la storia è diversa: secondo la relatività generale classica, attraversare l’orizzonte non comporta nulla di spettacolare: niente percezione di un’esplosione, non si osservano lampi di radiazione.
Dal punto di vista di chi cade, il collasso continua tranquillamente e l’“evento finale” dell’orizzonte appare lontano, praticamente fuori dalla portata dell’esperienza diretta.
C’è poi lo scenario più esotico relativo alla trasformazione di un buco nero in buco bianco (previsto da alcune teorie di gravità quantistica a loop cui abbiamo già accennato): il momento del rimbalzo ad un osservatore esterno apparirebbe come un evento esplosivo improvviso, con emissione di materia, radiazione ed energia in tempi brevissimi (una sorta di detonazione cosmica che rilascia l’informazione precedentemente codificata nello stato quantistico del buco nero).
Chi invece si trovasse all’interno dell'orizzonte percepirebbe il tutto come un rimbalzo rapidissimo, senza singolarità e senza violare la causalità locale.
Un osservatore molto vicino all’orizzonte, ma ancora fuori, vivrebbe lo spettacolo più estremo: la superficie del buco nero diventerebbe sempre più luminosa e blu-shiftata, con energia crescente fino al lampo finale.
Per lui, come per chi cada dentro, l’evento sarebbe immediatamente letale, molto prima che la “bellezza cosmica” possa essere percepita.
Un’esplosione di buco nero non sarebbe dunque mai "cinematografica" nel senso tradizionale: per un osservatore lontano apparirebbe infatti come un lampo brevissimo di radiazione ad altissima energia, per chi ci stia cadendo dentro o sia vicinissimo all’orizzonte l’esperienza sarebbe drammatica o addirittura invisibile: ciò che viene rilasciato è l’informazione e l’energia del buco nero, non materia che emerge come da una bomba convenzionale.
Questa riflessione ci permette di capire perché, anche nel caso dei buchi neri primordiali, un “flash finale” visibile è improbabile da osservare direttamente, mentre i neutrini ultra-energetici che registriamo potrebbero rappresentare proprio questo tipo di evento cosmico, la firma indiretta di una fase di evaporazione o di rimbalzo, invisibile alla luce ordinaria ma leggibile dai messaggeri più estremi dell’universo.
Note:
(1) I buchi neri primordiali (PBH) sono oggetti ipotetici formatisi nei primissimi istanti dopo il Big Bang, molto prima di stelle e galassie.
(2) Secondo Stephen Hawking i buchi neri non sarebbero "completamente neri", ma emetterebbero lentamente particelle attraverso un processo quantistico noto come radiazione di Hawking.
(3) Sarebbero quindi dotati di una nuova carica associata ad una possibile interazione oltre il Modello Standard.
(4) Osservando questi neutrini oggi, potremmo intercettare un segnale diretto di processi avvenuti quando l’Universo aveva meno di un secondo di vita: ogni particella rilevata costituirebbe una finestra aperta sul primo istante di vita dell’Universo.
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