La materia oscura può presentarsi in più particelle e pesi, simili agli elementi ordinari della tavola periodica, suggerisce una nuova teoria.
Secondo una nuova ricerca l’universo potrebbe aver prodotto materia oscura nei primi minuti del Big Bang. Quelle particelle sono poi rimaste intrappolate in sacche ultradense. Alcune di quelle sacche si sono staccate per diventare buchi neri, che poi si sono dissolti in una pioggia di molteplici “specie” di particelle di materia oscura, creando una “tavola periodica” di elementi invisibili, suggeriscono gli autori dello studio.
I fisici faticano ancora a spiegare la materia oscura, la misteriosa e invisibile forma di materia che costituisce la stragrande maggioranza della massa dell’universo. Sebbene cosmologi e astronomi abbiano individuato prove circostanziali della sua esistenza, dalla velocità di rotazione delle stelle all’interno delle galassie alle strutture più grandi visibili nel cosmo, non hanno ancora identificato esattamente cosa sia.
Il lavoro precedente presupponeva che la materia oscura fosse semplice: un unico tipo di particella estremamente leggera, che inonda l’universo, e che difficilmente interagisce con la materia normale. Ma le intense ricerche per nuove particelle simili si sono rivelate vane. Ciò ha portato i cosmologi a chiedersi se le particelle di materia oscura potrebbero essere molto più rare, ma anche molto più pesanti. Tuttavia, i fisici teorici hanno faticato a trovare modelli che avrebbero seminato l’universo primordiale con il giusto numero di particelle così pesanti.
Il nuovo studio
Nel nuovo studio, pubblicato nel database di prestampa arXiv, un team di cosmologi ha trovato un modo per generare massicce particelle di materia oscura subito dopo il Big Bang. Il trucco era quello di cospargere i buchi neri.
L’articolo osservava che l’universo primordiale subì gravi transizioni di fase quando le forze della natura si separarono l’una dall’altra, passando da un’unica forza unificata alle quattro forze fondamentali di oggi. Ad ogni transizione, la fisica sottostante cambiava. Questo non è così strano come sembra, poiché gli scienziati possono riprodurre l’ultima di queste transizioni negli acceleratori di particelle: a energie sufficientemente elevate, ricreando i primi secondi del Big Bang, possiamo osservare le forze elettromagnetiche e nucleari deboli che si fondono in una sola.
I ricercatori hanno scoperto che la materia oscura ultrapesante potrebbe rimanere intrappolata durante una di queste transizioni di fase iniziale dell’universo. Se la transizione fosse disordinata, innescherebbe la formazione di bolle, dove alcune sacche dell’universo sarebbero passate alla nuova fisica mentre il resto non aveva ancora effettuato il cambiamento (come l’acqua bollente, con la fase gassosa dell’acqua intrappolata in bolle circondate tramite liquido).
Nel loro modello, la materia oscura più antica era leggera, ma quella dei periodi successivi era pesante. In questo scenario, la materia oscura rimane intrappolata all’interno delle bolle, dove le densità salgono alle stelle fino al punto in cui tutta collassa e forma buchi neri. Quei buchi neri evaporano presto attraverso la radiazione di Hawking – in cui la radiazione “fuoriesce” lentamente dai buchi neri sotto forma di energia termica – ben prima della comparsa della materia normale.
Ma quando i buchi neri evaporano, la materia oscura ritorna, poiché i buchi neri emettono nuove particelle di materia oscura prima di morire, ha mostrato il modello del team. Questo meccanismo intelligente limita la quantità totale di materia oscura massiccia nell’universo, perché solo una certa quantità può sfuggire ai buchi neri prima che evaporino completamente.
Questo processo di evaporazione genera anche una serie di specie di particelle di materia oscura. Sebbene tutte le particelle di essa condividano molte caratteristiche (come la probabile invisibilità quasi totale), differirebbero per massa, velocità e modo di interagire con la materia normale. In questo modello, la materia oscura è un vasto insieme di diversi tipi di particelle, proprio come la materia normale è composta dall’intera tavola periodica degli elementi.
Le prove sperimentali
Le prove sperimentali per questa idea sono ancora molto lontane, poiché al momento si tratta di un concetto profondamente ipotetico. Il rilevamento diretto di una o più specie di particelle di materia oscura rafforzerebbe sicuramente l’idea. E gli astronomi stanno attualmente sviluppando metodi per osservare le onde gravitazionali del Big Bang, che ci darebbero un accesso osservativo diretto a questa epoca critica nella storia dell’universo.
Potrebbero esserci nuovi tipi di interazioni tra queste specie di materia oscura, che porterebbero a una complessa rete di fisica che agisce invisibilmente in tutto l’universo.
Fonte: arXiv
