La materia oscura permea l’Universo da sempre

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Materia oscura originata “prima” del Big Bang? Nuova teoria verificabile con le osservazioni di Euclid. Secondo Tommi Tenkanen della Johns Hopkins University, che ha pubblicato un nuovo studio in proposito su Physical Review Letters, la materia oscura sarebbe fatta da particelle scalari formatesi nei primissimi istanti di vita dell’universo, durante la fase di espansione esponenziale nota come inflazione.

Sfuggente all’osservazione e poco compresa: oscura, appunto. Se ne vedono gli effetti gravitazionali sulla materia barionica, quella osservabile coi telescopi, e se ne intuisce quindi la presenza e la distribuzione. Ma non si sa di cosa è fatta. La materia oscura, che ammonta a circa l’85% del totale della materia dell’universo, resta ancora una componente tutta da scoprire.

Il modello del Big Bang: la cosmologia quantistica indaga sul presunto inizio dello spazio e del tempo. Crediti: Nasa / Wmap Science Team
Il modello del Big Bang: la cosmologia quantistica indaga sul presunto inizio dello spazio e del tempo. Crediti: Nasa / Wmap Science Team

Adesso un nuovo studio, pubblicato lo scorso 7 agosto su Physical Review Letters, non solo offre una teoria su cosa possa essere la materia oscura e quando possa essersi formata, ma stabilisce anche come avere indicazioni riguardo la sua identità grazie a osservazioni astronomiche. La materia oscura sarebbe composta da un gran numero di particelle scalari originate durante l’inflazione. Finora si ha prova sperimentale di un’altra sola particella scalare, il bosone di Higgs.

«Lo studio ha rivelato una nuova connessione tra fisica delle particelle e astronomia», afferma Tommi Tenkanen, ricercatore di origine finlandese del Dipartimento di fisica e astronomia alla Johns Hopkins University e unico autore dello studio. «Se la materia oscura è costituita da nuove particelle nate prima del Big Bang, esse influenzano il modo in cui le galassie sono distribuite nel cielo in un modo univoco. Questa connessione può essere utilizzata per rivelare la loro identità e trarre conclusioni anche sui tempi precedenti al Big Bang».

La fase di Big Bang alla quale Tenkanen si riferisce non è la singolarità iniziale – il momento in cui tutta la materia dell’universo era concentrata in un punto a temperatura e densità infinite -, ma quella subito dopo l’inflazione, in cui l’universo era già enormemente più esteso, ma ancora caldissimo. Un plasma di particelle elementari molto energetiche al quale si cominciano ad applicare le leggi della fisica che conosciamo.

Alcuni ricercatori ritengono che anche la materia oscura si sia generata da questa bollente zuppa primordiale. Tuttavia, spiega Tenkanen, «se la materia oscura fosse un residuo del Big Bang, in diversi casi i ricercatori avrebbero dovuto osservare qualche prova diretta della sua esistenza negli esperimenti di fisica delle particelle».

Tommi Tenkanen. Immagine dal sito web personale
Tommi Tenkanen. Immagine dal sito web personale

Se la teoria di Tenkanen fosse valida, osservando le strutture barioniche si potrebbe ricostruire la distribuzione della materia oscura e risalire a ritroso nel tempo fino all’epoca della sua formazione, cioè ricostruire la traccia primordiale di materia oscura che fin dall’inflazione ha posto le basi delle attuali strutture.

Proprio qui, secondo l’autore, sta la novità di questo studio. Altri prima d’ora avevano ipotizzato che la materia oscura si fosse generata durante l’inflazione, ma mancava finora un inquadramento matematico che descrivesse il fenomeno e che lo rendesse in qualche modo verificabile. La trattazione matematica di Tenkanen, che lega la comparsa della materia oscura all’attuale distribuzione di massa, fornisce un metodo per confermare o meno la teoria stessa.

«Sebbene questo tipo di materia oscura sia troppo sfuggente per essere rivelata in esperimenti di fisica delle particelle, si può rivelare con osservazioni astronomiche. Presto scopriremo di più sull’origine della materia oscura grazie al satellite Euclid, il cui lancio è previsto nel 2022. Sarà davvero emozionante sapere cosa rivelerà sulla materia oscura e come i suoi risultati permetteranno di sbirciare fino al tempo del Big Bang», conclude Tenkanen.

Per saperne di più: Leggi l’articolo pubblicato su Physical Review Letters, “Dark Matter from Scalar Field Fluctuations”, di Tommi Tenkanen.

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