Las ondas gravitacionales pueden haber jugado un papel clave en la creación de materia oscura durante los primeros momentos del universo, según un nuevo estudio del profesor Joachim Kopp de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU) y el Clúster de Excelencia PRISMA++, en colaboración con la Dra. Azadeh Maleknejad de la Universidad de Swansea. Publicado en Physical Review Letters, la investigación introduce cálculos novedosos que apuntan a un proceso previamente inexplorado en el que las llamadas ondas gravitacionales estocásticas podrían dar lugar a la materia oscura.

Este trabajo aborda una de las mayores preguntas sin respuesta en la física de partículas. Todo lo que podemos ver, incluidos planetas, estrellas y la vida en la Tierra, está hecho de materia visible, pero esto representa solo alrededor del cuatro por ciento del universo. La mayor parte del cosmos permanece invisible, compuesta por materia oscura y energía oscura. Solo la materia oscura constituye aproximadamente el 23 por ciento del universo.

Las observaciones muestran que la materia oscura está distribuida por todo el espacio, dando forma a las galaxias y las estructuras cósmicas más grandes. A pesar de su enorme influencia, los científicos aún no saben de qué está hecha la materia oscura. Numerosas teorías y experimentos están en marcha para descubrir su verdadera naturaleza.

Las ondas gravitacionales son ondas en el espacio-tiempo producidas por algunos de los eventos más energéticos del universo, como colisiones entre agujeros negros o estrellas de neutrones. Sin embargo, no todas las ondas gravitacionales provienen de eventos tan dramáticos. Un tipo diferente, conocido como ondas gravitacionales estocásticas, surge de una variedad de procesos que no involucran objetos masivos.

Estas ondas son mucho más débiles y forman parte de la señal de fondo que llena el universo. Muchas de ellas son extremadamente antiguas, datando de las primeras fases después del Big Bang. Pueden haber sido generadas durante momentos clave en la historia cósmica, incluyendo transiciones de fase a medida que el universo se enfriaba o a partir de campos magnéticos primordiales.

"En este artículo, investigamos la posibilidad de que las ondas gravitacionales —que se cree fueron omnipresentes en el universo temprano— se conviertan parcialmente en partículas de materia oscura", explicó Kopp. "Esto conduce a un nuevo mecanismo de producción de materia oscura que no se había investigado antes".

El estudio sugiere que estas ondas gravitacionales tempranas podrían haber producido fermiones que inicialmente tenían poca o ninguna masa. Los fermiones son una amplia clase de partículas que incluye ejemplos familiares como electrones, protones y neutrones. Según los investigadores, estos fermiones tempranos pueden haber ganado masa más tarde y evolucionado hasta convertirse en las partículas de materia oscura que existen hoy.

"El siguiente paso en el desarrollo de esta línea de investigación es ir más allá de nuestras estimaciones analíticas y realizar cálculos numéricos para mejorar la precisión de nuestras predicciones. Otra vía para futuras investigaciones es la investigación de otros posibles efectos de las ondas gravitacionales en el universo temprano. Un ejemplo de esto sería un mecanismo que pudiera explicar la conocida diferencia en la producción de partículas y antipartículas", dijo Kopp.