Per decenni, la teoria prevalente ha sostenuto che la materia oscura – la sostanza invisibile che costituisce circa l’85% della massa dell’universo – fosse “fredda” nel periodo immediatamente successivo al Big Bang. Ciò significa che le sue particelle costituenti si muovevano abbastanza lentamente da raggrupparsi insieme attraverso la gravità, formando le galassie e le strutture cosmiche più grandi che osserviamo oggi. Una nuova ricerca mette in discussione questa ipotesi, suggerendo che la materia oscura potrebbe essere stata inizialmente incredibilmente calda, viaggiando a una velocità prossima alla luce prima di raffreddarsi sufficientemente da innescare la formazione galattica.
Il cambiamento nella comprensione
Lo studio, condotto da ricercatori dell’Università del Minnesota Twin Cities e dell’Università Paris-Saclay, propone che la materia oscura potrebbe essersi “disaccoppiata” dal plasma ad alta energia dell’universo primordiale mentre era ancora ultrarelativistica, muovendosi a velocità estreme. Questo scenario espande la gamma di possibili comportamenti delle particelle di materia oscura, aprendo potenzialmente le porte a nuove strade sperimentali e osservative.
La chiave sta nel periodo di riscaldamento che segue la rapida espansione dell’universo (inflazione). Durante il riscaldamento, l’energia derivante dall’inflazione si è convertita in una miscela calda di particelle e radiazioni. In condizioni specifiche, i ricercatori dimostrano che la materia oscura creata in questo momento potrebbe essere nata a velocità vicine alla luce, ma essersi comunque raffreddata abbastanza da adattarsi alla struttura su larga scala dell’universo.
Perché è importante
Il modello della “materia oscura fredda” è stato a lungo fondamentale per la nostra comprensione della cosmologia. Se queste nuove scoperte fossero confermate, potrebbero rimodellare la nostra stessa ricerca della materia oscura. Gli attuali sforzi di rilevamento si basano su vari metodi – collisori di particelle, rilevatori sotterranei e osservazioni astrofisiche – tutti basati sull’idea che le particelle di materia oscura si muovono relativamente lentamente.
Questa sfumatura solleva anche domande teoriche più profonde sulle proprietà fondamentali della materia oscura e sul suo ruolo nell’evoluzione cosmica.
“La materia oscura è notoriamente enigmatica”, ha affermato Stephen Henrich, uno studente laureato presso l’Università del Minnesota. “Una delle poche cose che sappiamo è che deve essere fredda… I nostri recenti risultati mostrano che non è così; infatti, la materia oscura può essere rovente quando nasce, ma ha ancora il tempo di raffreddarsi prima che le galassie inizino a formarsi.”
Il paradosso della materia oscura “calda”.
Storicamente, l’idea della “materia oscura calda” – particelle che si muovono troppo velocemente per formare strutture efficienti – è stata respinta. Il neutrino di piccola massa, un tempo un candidato privilegiato, è stato escluso decenni fa a causa della sua tendenza a spazzare via le strutture galattiche invece di seminarle.
Tuttavia, il nuovo studio suggerisce che se la materia oscura fosse stata prodotta durante la caotica fase di riscaldamento del Big Bang, avrebbe potuto raffreddarsi sufficientemente da agire come “materia oscura fredda”. Ciò riapre le possibilità per le particelle candidate precedentemente scartate.
Implicazioni future
I risultati del team, pubblicati su Physical Review Letters, forniscono una nuova lente attraverso la quale osservare i primi istanti dell’universo. Se confermati, potrebbero svelare una comprensione più profonda delle condizioni immediatamente successive al Big Bang e affinare la nostra ricerca della sfuggente sostanza che modella il cosmo.
Il lavoro del gruppo di ricerca potrebbe consentire agli scienziati di accedere alla storia dell’universo molto vicino al Big Bang.
Lo studio è intitolato: Ultrarelativistic Freeze-Out: A Bridge from WIMPs to FIMPs. Fis. Rev. Lett 135, 221002; doi: 10.1103/zk9k-nbpj
