Il Big Bang ritardato per la materia oscura potrebbe essere rilevato nelle onde gravitazionali

Se si fosse verificato un Big Bang per la materia oscura, le onde gravitazionali che ha prodotto avrebbero lasciato un’impronta sottile sul tessuto dello spazio-tempo. Con questo schema più chiaro dello spazio dei parametri del Dark Big Bang, diversi programmi osservativi presto attivi saranno ben attrezzati per cercare queste impronte caratteristiche.

 

 

Nuovi vincoli su una teoria che afferma che la materia oscura è stata creata subito dopo il Big Bang – piuttosto che durante il Big Bang – sono stati determinati da Richard Casey e Cosmin Ilie della Colgate University negli Stati Uniti.

Il duo ha calcolato l’intera gamma di parametri in cui un “Dark Big Bang” potrebbe inserirsi nella storia osservata dell’universo.

Dicono che la prova di questa creazione ritardata potrebbe essere trovata nelle onde gravitazionali.

La materia oscura è una sostanza ipotetica che si ritiene svolga un ruolo importante nella struttura e nella dinamica dell’universo.

Sembra che rappresenti circa il 27% della massa-energia nel cosmo e fa parte del Modello Standard della cosmologia.

Tuttavia, le particelle di materia oscura non sono mai state osservate direttamente.

Il Modello Standard dice anche che l’intero contenuto dell’universo è emerso quasi 14 miliardi di anni fa nel Big Bang.

Eppure, nel 2023, Katherine Freese e Martin Winkler dell’Università del Texas ad Austin hanno introdotto una nuova e accattivante teoria, che suggerisce che la materia oscura dell’universo potrebbe essere stata creata dopo il Big Bang.

Le prove arrivano più tardi

Freese e Winkler hanno sottolineato che la presenza di fotoni e materia normale (principalmente protoni e neutroni) può essere dedotta quasi immediatamente dopo il Big Bang.

Tuttavia, le prime prove dell’esistenza della materia oscura risalgono a più tardi, quando iniziò a esercitare la sua influenza gravitazionale sulla materia normale.

Di conseguenza, il duo ha proposto che la materia oscura possa essere apparsa in un secondo evento chiamato Dark Big Bang.

“Nel modello di Freese e Winkler, le particelle di materia oscura possono essere prodotte fino a un mese dopo la nascita del nostro universo”, spiega Ilie.

“Inoltre, le particelle di materia oscura prodotte attraverso un Dark Big Bang non interagiscono con la materia normale se non attraverso la gravità. Pertanto, questo modello potrebbe spiegare perché tutti i tentativi di rilevare la materia oscura – direttamente, indirettamente o attraverso la produzione di particelle – sono falliti”.

Secondo questa teoria, le particelle di materia oscura sono generate da un certo tipo di campo scalare.

Questo è un campo di energia che ha un singolo valore in ogni punto dello spazio e del tempo (un esempio familiare è il campo che descrive l’energia potenziale gravitazionale).

Inizialmente, ogni punto di questo campo scalare avrebbe occupato un minimo locale nel suo potenziale energetico.

Tuttavia, questi punti potrebbero essere passati a minimi di energia più bassi attraverso il tunnelling quantistico.

Durante questa transizione, la differenza di energia tra i due minimi verrebbe rilasciata, producendo particelle di materia oscura.

Coerente con le osservazioni

Basandosi su questa idea, Casey e Ilie hanno esaminato come le previsioni del modello del Dark Big Bang potessero essere coerenti con le osservazioni degli astronomi dell’universo primordiale.

“Concentrandoci sui potenziali di tunneling che portano al Dark Big Bang, siamo stati in grado di esaurire lo spazio dei parametri dei possibili casi, pur consentendo la produzione di molti tipi diversi di candidati di materia oscura da questa transizione”, spiega Casey.

“A parte alcuni limiti di massa molto generosi, l’unico grande vincolo sulla materia oscura nel modello del Dark Big Bang è che interagisce con le particelle quotidiane attraverso la sola gravità”.

Questo è incoraggiante perché questa interazione limitata è ciò che i fisici si aspettano dalla materia oscura.

Per ora, i risultati del duo suggeriscono che il Dark Big Bang è molto meno limitato dalle osservazioni passate di quanto Freese e Winkler avessero originariamente previsto.

Come spiega Ilie, i loro vincoli potrebbero presto essere messi alla prova.

“Abbiamo esaminato due scenari di Dark Big Bang in questo spazio di parametri appena scoperto che producono segnali di onde gravitazionali nelle gamme di sensibilità delle indagini esistenti e future”, dice.

“In combinazione con quelli considerati nell’articolo di Freese e Winkler, questi casi potrebbero costituire un punto di riferimento per i ricercatori di onde gravitazionali mentre cercano prove di un Big Bang oscuro nell’universo primordiale”.

Impronta sottile sullo spazio-tempo

Se si fosse verificato un Big Bang oscuro, le onde gravitazionali che ha prodotto avrebbero lasciato un’impronta sottile sul tessuto dello spazio-tempo.

Con questo schema più chiaro dello spazio dei parametri del Dark Big Bang, diversi programmi osservativi presto attivi saranno ben attrezzati per cercare queste impronte caratteristiche.

“Per alcuni scenari di riferimento, dimostriamo che quelle onde gravitazionali potrebbero essere rilevate da esperimenti in corso o imminenti come l’International Pulsar Timing Array (IPTA) o lo Square Kilometre Array Observatory (SKAO). In effetti, l’evidenza delle onde gravitazionali di fondo riportate nel 2023 dall’esperimento NANOGrav – parte dell’IPTA – potrebbe essere attribuita a una realizzazione del Dark Big Bang”, afferma Casey.

Se questi studi troveranno prove conclusive per la teoria originale di Freese e Winkler, l’analisi di Casey e Ilie potrebbe in definitiva portarci un passo avanti verso una svolta nella nostra comprensione delle origini sempre sfuggenti della materia oscura.

 

Immagine: Shutterstock/Tomertu