Le onde gravitazionali potrebbero aver giocato un ruolo chiave nella creazione della materia oscura durante i primissimi momenti dell'universo, secondo un nuovo studio del Professor Joachim Kopp dell'Università Johannes Gutenberg di Magonza (JGU) e del Cluster di Eccellenza PRISMA++, in collaborazione con la Dott.ssa Azadeh Maleknejad dell'Università di Swansea. Pubblicato su Physical Review Letters, la ricerca introduce nuovi calcoli che puntano a un processo precedentemente inesplorato in cui le cosiddette onde gravitazionali stocastiche potrebbero dare origine alla materia oscura.
Questo lavoro affronta una delle più grandi domande irrisolte della fisica delle particelle. Tutto ciò che possiamo vedere, inclusi pianeti, stelle e la vita sulla Terra, è fatto di materia visibile, eppure questa rappresenta solo circa il quattro percento dell'universo. La maggior parte del cosmo rimane invisibile, composta da materia oscura ed energia oscura. Solo la materia oscura costituisce circa il 23 percento dell'universo.
Le osservazioni mostrano che la materia oscura è diffusa in tutto lo spazio, modellando galassie e le più grandi strutture cosmiche. Nonostante la sua enorme influenza, gli scienziati ancora non sanno di cosa sia fatta la materia oscura. Numerose teorie ed esperimenti sono in corso per scoprire la sua vera natura.
Le onde gravitazionali sono increspature nello spaziotempo prodotte da alcuni degli eventi più energetici dell'universo, come collisioni tra buchi neri o stelle di neutroni. Tuttavia, non tutte le onde gravitazionali provengono da eventi così drammatici. Un tipo diverso, noto come onde gravitazionali stocastiche, nasce da una serie di processi che non coinvolgono oggetti massicci.
Queste onde sono molto più deboli e fanno parte del segnale di fondo che riempie l'universo. Molte di esse sono estremamente antiche, risalenti alle prime fasi dopo il Big Bang. Potrebbero essere state generate durante momenti chiave della storia cosmica, incluse transizioni di fase mentre l'universo si raffreddava o da campi magnetici primordiali.
"In questo articolo, indaghiamo la possibilità che le onde gravitazionali – che si ritiene fossero onnipresenti nell'universo primordiale – vengano parzialmente convertite in particelle di materia oscura," ha spiegato Kopp. "Questo porta a un nuovo meccanismo di produzione di materia oscura che non è stato studiato prima."
Lo studio suggerisce che queste prime onde gravitazionali potrebbero aver prodotto fermioni che inizialmente avevano poca o nessuna massa. I fermioni sono un'ampia classe di particelle che include esempi familiari come elettroni, protoni e neutroni. Secondo i ricercatori, questi primi fermioni potrebbero aver successivamente acquisito massa e evolversi nelle particelle di materia oscura che esistono oggi.
"Il prossimo passo nello sviluppo di questa linea di ricerca è andare oltre le nostre stime analitiche e condurre calcoli numerici per migliorare l'accuratezza delle nostre previsioni. Un'altra strada per la ricerca futura è l'indagine di ulteriori possibili effetti delle onde gravitazionali nell'universo primordiale. Un esempio di ciò sarebbe un meccanismo che potrebbe spiegare la ben nota differenza tra particelle e antiparticelle prodotte," ha detto Kopp.