Durante décadas, la teoría predominante sostuvo que la materia oscura (la sustancia invisible que constituye aproximadamente el 85% de la masa del universo) estaba “fría” inmediatamente después del Big Bang. Es decir, sus partículas constituyentes se movieron lo suficientemente lento como para agruparse a través de la gravedad, formando las galaxias y estructuras cósmicas más grandes que observamos hoy. Una nueva investigación desafía esta suposición, sugiriendo que la materia oscura puede haber estado inicialmente increíblemente caliente, viajando a una velocidad cercana a la de la luz antes de enfriarse lo suficiente como para sembrar la formación galáctica.
El cambio en la comprensión
El estudio, realizado por investigadores de la Universidad de Minnesota Twin Cities y la Universidad Paris-Saclay, propone que la materia oscura podría haberse “desacoplado” del plasma de alta energía del universo primitivo mientras aún era ultrarelativista: se movía a velocidades extremas. Este escenario amplía la gama de posibles comportamientos de las partículas de materia oscura, abriendo potencialmente puertas a nuevas vías experimentales y de observación.
La clave está en el período de recalentamiento que sigue a la rápida expansión del universo (inflación). Durante el recalentamiento, la energía de la inflación se convierte en una mezcla caliente de partículas y radiación. En condiciones específicas, los investigadores demuestran que la materia oscura creada en este momento podría haber nacido a velocidades cercanas a la de la luz, pero aún así se enfrió lo suficiente como para igualar la estructura a gran escala del universo.
Por qué esto es importante
El modelo de la “materia oscura fría” ha sido durante mucho tiempo fundamental para nuestra comprensión de la cosmología. Si estos nuevos hallazgos se confirman, podrían remodelar nuestra búsqueda de la materia oscura. Los esfuerzos de detección actuales se basan en varios métodos (colisionadores de partículas, detectores subterráneos y observaciones astrofísicas), todos ellos basados en la idea de que las partículas de materia oscura se mueven relativamente lentamente.
Este matiz también suscita preguntas teóricas más profundas sobre las propiedades fundamentales de la materia oscura y su papel en la evolución cósmica.
“La materia oscura es notoriamente enigmática”, dijo Stephen Henrich, estudiante de posgrado de la Universidad de Minnesota. “Una de las pocas cosas que sabemos al respecto es que necesita hacer frío… Nuestros resultados recientes muestran que este no es el caso; de hecho, la materia oscura puede estar al rojo vivo cuando nace, pero aún tiene tiempo de enfriarse antes de que las galaxias comiencen a formarse”.
La paradoja de la materia oscura “caliente”
Históricamente, se descartó la idea de la “materia oscura caliente” (partículas que se mueven demasiado rápido para formar estructuras de manera eficiente). El neutrino de baja masa, que alguna vez fue el principal candidato, fue descartado hace décadas debido a su tendencia a borrar estructuras galácticas en lugar de sembrarlas.
Sin embargo, el nuevo estudio sugiere que si la materia oscura se hubiera producido durante la caótica fase de recalentamiento del Big Bang, podría haberse enfriado lo suficiente como para actuar como “materia oscura fría”. Esto reabre posibilidades para partículas candidatas previamente descartadas.
Implicaciones futuras
Los hallazgos del equipo, publicados en Physical Review Letters, proporcionan una nueva lente a través de la cual ver los primeros momentos del universo. Si se confirman, podrían desbloquear una comprensión más profunda de las condiciones inmediatamente después del Big Bang y refinar nuestra búsqueda de la elusiva sustancia que da forma al cosmos.
El trabajo del equipo de investigación podría permitir a los científicos acceder a la historia del universo muy cerca del Big Bang.
El estudio se titula: Congelación ultrarelativista: un puente de WIMP a FIMP. Física. Rev. Lett 135, 221002; doi: 10.1103/zk9k-nbpj
