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High Energy Physics - Phenomenology
What if Planet 9 is a Primordial Black Hole?
Jakub Scholtz, James Unwin (Submitted on 24 Sep 2019)

We highlight that the anomalous orbits of Trans-Neptunian Objects (TNOs) and an excess in microlensing events in the 5-year OGLE dataset can be simultaneously explained by a new population of astrophysical bodies with mass several times that of Earth (M⊕). We take these objects to be primordial black holes (PBHs) and point out the orbits of TNOs would be altered if one of these PBHs was captured by the Solar System, inline with the Planet 9 hypothesis. Capture of a free floating planet is a leading explanation for the origin of Planet 9 and we show that the probability of capturing a PBH instead is comparable. The observational constraints on a PBH in the outer Solar System significantly differ from the case of a new ninth planet. This scenario could be confirmed through annihilation signals from the dark matter microhalo around the PBH.

Comments: 7 pages, 1 exact scale illustration of a 5 Earth mass black hole
Subjects: High Energy Physics - Phenomenology (hep-ph); Cosmology and Nongalactic Astrophysics (astro-ph.CO); Earth and Planetary Astrophysics (astro-ph.EP)
Report number: IPPP/19/73
Cite as: arXiv:1909.11090 [hep-ph]
(or arXiv:1909.11090v1 [hep-ph] for this version)

Submission history
From: James Unwin [view email] [v1] Tue, 24 Sep 2019 18:00:01 UTC (19 KB)

Constraints on Earth-mass primordial black holes from OGLE 5-year microlensing events.
https://www.semanticscholar.org/paper/C ... badac63543

https://www.repubblica.it/scienze/2019/09/30/news/il_pianeta_nove_potrebbe_essere_un_mini_buco_nero_ai_confini_del_sistema_solare-237337480/

Il "Pianeta Nove" potrebbe essere un mini buco nero ai confini del Sistema solare


L'ipotesi avanzata da due ricercatori (ancora non sottoposta a verifica) è che si tratti di un buco nero primordiale, catturato mentre vagava nel cosmo. Questo potrebbe spiegare le anomalie delle orbite di oggetti della fascia di Kuiper
di MATTEO MARINI 30 settembre 2019

E SE a due passi da casa nostra, invece che un fantomatico Pianeta Nove, ci fosse un buco nero? Piccolo, per carità, e (si presume) a distanza di sicurezza. A suggerire questa ipotesi sono stati due fisici: Jakub Scholtz, dell'Università di Durham e James Unwin, dell'università di Chicago e Berkeley. Lo studio, tuttavia, è stato pubblicato solo sulla piattaforma Arxiv e pare non sia stato nemmeno sottoposto a una rivista per essere valutato da altri esperti. Ma la loro teoria sta già facendo il giro del mondo perché è suggestiva e coinvolge un tipo di oggetti ancora solo teorizzati e mai osservati, nemmeno nei loro effetti: i buchi neri primordiali.
Il Pianeta Nove o "X"
Il "Pianeta nove" è un po' come lo Yeti. Se esiste è piuttosto grosso e quasi impossibile da osservare: una specie di figura mitologica. La sua presenza (sarebbe il nono pianeta, dopo l'esclusione di Plutone dalla rosa dei 'titolari') circola già dalla fine del diciannovesimo secolo per spiegare le orbite degli inquilini esterni, come Nettuno. E nel tempo si è andata rafforzando, per spiegare il comportamento di alcuni oggetti situati alla periferia del Sistema solare, in quella fascia di Kuiper, dove orbitano tanti asteroidi e non tutti si comportano allo stesso modo. In diversi hanno un'orbita dall'eccentricità anomala o molto più inclinata rispetto a tutti gli altri. Il campo gravitazionale di un pianeta piuttosto massiccio potrebbe produrre questi effetti. E così la presenza di "mister X" viene più volte richiamata sul palcoscenico del Sistema solare. Nel 2016 furono annunciate le prove indirette della sua esistenza. Ma nessuno lo ha mai visto. Altri studi, successivi, invece negavano la sua "necessità" per spiegare tutte quelle anomalie. Insomma, ancora non c'è nessuna certezza.
Si pensa sia una "super-Terra", da cinque a dieci volte la massa del nostro Pianeta, dovrebbe trovarsi talmente lontano (da almeno 300 volte la distanza Terra-Sole, circa 45 miliardi di chilometri, fino a mille volte tanto) da essere praticamente invisibile a qualsiasi telescopio ottico. Ma se invece non si trattasse di un pianeta?

Un buco nero dietro casa
Non stiamo parlando di un gigante supermassiccio divoratore di stelle e pianeti. Quelli stanno al centro delle galassie. Né di un buco nero di massa stellare che si trovano in giro per il cosmo, magari in coppia con altre stelle. L'ipotesi di Scholtz e Unwin è ancora più suggestiva: un buco nero primordiale. Si tratta di oggetti, per ora solo teorizzati, che potrebbero essersi formati quando l'Universo era ancora giovanissimo e la concentrazione di materia era talmente densa da formare piccoli buchi neri, con masse di molto inferiori a quella necessaria per formarne uno "di massa stellare" (che si origina dal collasso di una stella molto più massiccia del Sole).
Tutto in una palla da bowling
Quello che dovremmo cercare è dunque un buco nero davvero minuscolo, dalle cinque alle dieci masse terrestri. Quanto grande? La materia di cinque Terre starebbe comodamente nel palmo di una mano (ma piuttosto difficile da sorreggere). Uno spazio talmente piccolo che i due ricercatori hanno anche stampato la circonferenza corrispondente in una delle pagine dello studio (dieci Terre starebbero dentro una palla da bowling): "La cattura di un pianeta vagante è la spiegazione principale per l'origine del Pianeta 9 - scrivono i ricercatori nell'introduzione al loro paper - noi dimostriamo che la probabilità di catturare un buco nero primordiale è comparabile". Ma come trovarlo visto che si tratta di un oggetto molto più "nero" di un pianeta? Come per tutti i buchi neri, occorre osservare gli effetti su quello che lo circonda. In particolare materia oscura.

Secondo Unwin e Scholtz, l'alone di materia oscura che lo circonderebbe potrebbe estendersi per otto unità astronomiche (un miliardo e 200 milioni di chilometri, la distanza tra la Terra e Saturno). Come la Relatività generale insegna (e abbiamo sperimentato) la gravità piega anche la luce. Tutta quella materia (oscura e non) dovrebbe dunque generare un effetto di "lente gravitazionale", deviando l'immagine delle stelle sullo sfondo. Oggetti così piccoli danno origine a microlensing, il progetto polacco Ogle, richiamato nello studio, ne ha osservati diversi, a caccia di materia oscura. Un motivo per pensare che ci possano essere tanti buchi neri primordiali che vagano per il cosmo. E uno di questi sia stato catturato e sia il responsabile delle anomalie delle orbite al di fuori del nostro Sistema solare. Secondo l'ipotesi, dunque, i segnali da ricercare per scovare il misterioso intruso ai confini del Sistema solare sono quelli tipici di un buco nero, alte energie come raggi X e raggi gamma.

l bello è che in Fisica e tra le stelle, per la scienza, non si può mai escludere nulla. Nemmeno ipotesi più ardite come questa del buco nero. Tuttavia resterà il dubbio sui calcoli dei due fisici, se il loro lavoro non sarà sottoposto a revisione da altri colleghi.