Per decenni, la materia oscura ha rappresentato uno dei più grandi enigmi della cosmologia, una presenza invisibile che modella l’Universo senza rivelare la sua vera natura. Ma cosa succederebbe se la risposta a questo mistero non fosse qualcosa di esotico e mai visto, bensì reliquie congelate di particelle che un tempo sfrecciavano alla velocità della luce?
Una nuova, audace teoria propone proprio questo, aprendo una prospettiva sorprendente su ciò che potrebbe costituire il 27% del Cosmo.
Svelare il mistero dell’eccesso di gravità: reliquie di luce come materia oscura
Da quasi un secolo, gli scienziati si confrontano con un enigma cosmico: le stime della massa visibile dell’Universo non riescono a spiegare la velocità di rotazione delle galassie. Questa discrepanza ha portato all’ipotesi dell’esistenza della materia oscura, una sostanza invisibile che, con la sua gravità, tiene unito il cosmo, ma la cui identità e origine rimangono sfuggenti nonostante gli sforzi per comprenderne le proprietà.
Nel tentativo di fare luce su questo profondo segreto, due ricercatori del Dartmouth College negli Stati Uniti, Guanming Liang e Robert Caldwell, hanno proposto una teoria affascinante e, per certi versi, inquietante: la materia oscura potrebbe essere il risultato di un’insolita unione di particelle prive di massa, avvenuta subito dopo il Big Bang.
In un Universo appena nato, brulicante di particelle prive di massa che sfrecciano a velocità elevatissime, molto più simili alla luce che a grumi di materia fredda. Secondo Liang e Caldwell, nel corso del tempo, queste particelle ad alta energia si sarebbero scontrate e raffreddate, acquisendo la massa necessaria per spiegare l’invisibile fonte di gravità dell’Universo. Questa idea rappresenta una svolta significativa rispetto alla concezione tradizionale della materia oscura, solitamente immaginata come masse fredde che conferiscono gravità alle galassie.
“La nostra teoria cerca di spiegare come si è passati dall’essere leggeri all’essere grumi“, ha spiegato Caldwell, suggerendo che ciò che oggi percepiamo come materia oscura possa essere, in realtà, una reliquia “congelata” di un’epoca primordiale in cui le particelle viaggiavano quasi alla velocità della luce.
L’unione dei fermioni di dirac e il mistero dello squilibrio termico
Circa 13,7 miliardi di anni fa, l’Universo era un luogo incredibilmente denso, così compresso da poter stare, metaforicamente, “tra i denti“. In questo spazio angusto si svolgeva una vera e propria “festa quantistica“, con particelle di ogni tipo che sfrecciavano, scontrandosi e strusciandosi per la mancanza di Spazio.
Secondo il modello di sintesi dei nucleoni di Nambu e Jona-Lasinio, una specifica classe di queste particelle, i fermioni di Dirac, avrebbe potuto unirsi in modo simile a come gli elettroni formano le coppie di Cooper nei superconduttori. Questo fenomeno, sebbene la fisica quantistica che lo sottende sia estremamente complessa, ha implicazioni profonde per la crescita cosmologica, dall’inflazione all’espansione successiva dell’Universo. Tuttavia, tutte queste teorie si basano sul presupposto che la temperatura di questo Spazio primordiale sia rimasta in uno stato di quasi equilibrio.
Liang e Caldwell si sono spinti oltre, chiedendosi cosa accadrebbe se si considerassero altre proprietà termiche di questo processo. Cosa succederebbe se uno squilibrio nelle relazioni tra alcuni ipotetici fermioni di Dirac ad alta energia portasse alla conversione della loro folle energia in massa, “congelandoli” di fatto? Il risultato sarebbe paragonabile a trasformare un temporale impetuoso in una grandinata.
“La parte più inaspettata del nostro modello matematico è stata la caduta di energia che collega l’energia ad alta densità con quella a bassa densità“, ha affermato Liang. Il fatto che le coppie di Cooper esistano tra gli elettroni suggerisce che non sono necessarie attività esotiche per spiegare l’emergere di queste particelle di materia oscura a lento movimento. Inoltre, questa affascinante ipotesi potrebbe spiegare dove sia finita gran parte dell’energia dell’Universo primordiale.
“Le strutture ottengono la loro massa grazie alla densità della materia oscura fredda, ma deve esserci anche un meccanismo per cui la densità energetica scende fino a raggiungere livelli vicini a quelli che osserviamo oggi“, ha aggiunto. Il modello matematico alla base di questa teoria è sorprendentemente elegante e semplice, richiedendo pochi presupposti esterni per funzionare.
L’impronta cosmica delle trasformazioni
Le trasformazioni da particelle solitarie, calde e ad alta pressione a “matrimoni” freddi e lenti lascerebbero un’impronta distinguibile nella radiazione cosmica di fondo (CMB). Questo bagliore di fondo distorto è una vera e propria eco dell’Universo primordiale, una radiazione che rimbalza nello spazio fin dai suoi primi istanti. La rilevazione di specifici segnali nella CMB potrebbe quindi fornire una prova cruciale a favore del fatto che questi fermioni siano, almeno in parte, una fonte di materia oscura.
“È entusiasmante“, ha concluso Caldwell: “Stiamo presentando un nuovo approccio per pensare e potenzialmente identificare la materia oscura“. Questa possibilità di testare la teoria con dati esistenti la rende particolarmente promettente nel panorama della cosmologia moderna.
La ricerca è stata pubblicata su Physical Review Letters.
