La materia oscura è più “vecchia” del Big Bang?

Un nuovo studio suggerisce che la materia oscura possa essere più vecchia del Big Bang e come misurarla dalle osservazioni astronomiche

E se la materia oscura fosse nata molto prima del Big Bang? Questa domanda può apparire bizzarra, ma non lo è affatto. Il fatto che negli anni tutti gli esperimenti che hanno dato la caccia a questa materia non visibile all’uomo e ai suoi sofisticati strumenti si siano rivelati un fallimento, potrebbe far pensare che stiamo guardando nel posto o forse nel “tempo” sbagliato. Per Tommi Tenkanen, ricercatore postdoc della Johns Hopkins University, la materia oscura sarebbe nata prima dell’esplosione che ha dato vita al nostro universo come oggi lo conosciamo e potrebbe essere costituita da particelle scalari, come il celebre bosone di Higgs.
Se guardiamo all’universo nella sua attuale configurazione a 13,8 miliardi di anni dal Big Bang, sappiamo che la materia visibile, anche detta ordinaria, costituisce appena il 5% del totale. La massa restante del cosmo è costituita invece per il 27% circa di materia oscura e per il 68% circa di energia oscura. Le ipotesi sulla natura di questa forma di materia sono molte, ma non ne esistono misurazioni dirette. Fino ad oggi infatti i ricercatori hanno osservato gli effetti gravitazionali che la presenza della materia oscura induce, influenzando la formazione delle galassie, degli ammassi di galassie e della loro distribuzione nel cosmo: tutte misure indirette della sua esistenza.

Una simulazione matematica alla base del nuovo studio

Nel nuovo studio pubblicato da Tenkanen sulla rivista Physical Review Letter, il ricercatore ha elaborato una simulazione matematica sull’ipotesi che la materia oscura sia nata prima del Big Bang e propone un modo per osservarla direttamente, utilizzando le osservazioni astronomiche: “Il mio studio rivela una nuova connessione tra la fisica delle particelle e l’astronomia. Se la materia oscura consiste di nuove particelle che sono nate prima del Big Bang, esse hanno influenzato la distribuzione delle galassie nel cielo in un modo unico e quindi osservabile. La connessione quindi può essere utilizzata per identificare le particelle che la compongono e scoprire cosa sia accaduto prima del Big Bang”.
D’altronde per molto tempo i ricercatori hanno ritenuto che la materia oscura fosse semplicemente una sostanza “sopravvissuta” all’esplosione che ha dato vita al nostro universo. Per Tenkanen, però, se così fosse i tantissimi esperimenti di fisica delle particelle che le hanno dato la caccia avrebbero dovuto averla già osservata e così  non è stato.
Il ricercatore ha così utilizzato un nuovo e semplice modello matematico in cui mostra come questa elusiva forma di materia possa essere stata prodotta durante il periodo noto come inflazione cosmica, quando subito dopo la singolarità iniziale in cui tutta la materia era concentrata in un solo punto a temperatura e densità infinita, l’universo si è espando rapidamente ma era comunque costituito da un plasma di particelle elementari molto energetiche a cui erano già applicabili le leggi della fisica che conosciamo.

La materia oscura sia formata da particelle scalari?

 

Tra le particelle che si sono prodotte in quantità copiose durante la rapida espansione dell’universo primordiale ci sono le cosìdette particelle scalari, di cui ad oggi ne conosciamo un solo esempio. L’unica particella scalare osservata infatti è il celebre bosone di Higgs, che insieme al campo di Higgs costituisce il meccanismo che è considerato il portatore di massa per le particelle.
Tenkanen ha spiegato che ipotizzare che la materia oscura sia formata da particelle scalari, implica che si tratti di particelle più vecchie del Big Bang: “Con lo scenario matematico che ho proposto, non abbiamo bisogno di assumere nuovi tipi di interazioni tra la materia visibile e quella oscura oltre a quella gravitazionale, che sappiamo già intercorrere”.
Anche se l’ipotesi che la materia oscura fosse nata prima del cosmo non è nuova, la teoria di Tenkanen è la prima che è supportata da simulazioni matematiche che dimostrano come gli altri teorici abbiano sempre sottovalutato lo scenario matematico più semplice possibile per determinarne le origini. Il nuovo studio suggerisce inoltre un modo per verificare se questa ipotesi sulle origini della materia oscura sia valida, semplicemente osservando i segni lasciati sulla distribuzione della materia nell’universo.
Il ricercatore ha quindi concluso: “Se questo tipo di materia oscura è troppo elusiva per essere rivelata negli esperimenti di particelle, potrebbe mostrare la sua presenza nelle osservazioni astronomiche”. Per questo motivo, sottolinea Tenkanen, gli astrofisici attendono il lancio nel 2022 del satellite Euclid, frutto dell’omonima missione dell’Agenzia spaziale europea (ESA) il cui obiettivo è quello di mappare il cielo per studiare l’evoluzione dell’universo  e la materia oscura: “Sarà molto eccitante vedere che cosa rivelerà circa la materia oscura e se le sue scoperte potranno essere utilizzate per sbirciare nel tempo prima del Big Bang”.

Veronica Nicosia 

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