Ondas gravitacionais podem ter desempenhado um papel fundamental na criação da matéria escura durante os primeiros momentos do universo, de acordo com um novo estudo do Professor Joachim Kopp da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) e do Cluster de Excelência PRISMA++, em colaboração com a Dra. Azadeh Maleknejad da Universidade de Swansea. Publicado na Physical Review Letters, a pesquisa introduz novos cálculos que apontam para um processo anteriormente inexplorado no qual as chamadas ondas gravitacionais estocásticas poderiam dar origem à matéria escura.

Este trabalho aborda uma das maiores questões não respondidas na física de partículas. Tudo o que podemos ver, incluindo planetas, estrelas e a vida na Terra, é feito de matéria visível, mas isso representa apenas cerca de quatro por cento do universo. A maior parte do cosmos permanece invisível, composta por matéria escura e energia escura. A matéria escura sozinha representa aproximadamente 23 por cento do universo.

Observações mostram que a matéria escura está espalhada por todo o espaço, moldando galáxias e as maiores estruturas cósmicas. Apesar de sua enorme influência, os cientistas ainda não sabem do que a matéria escura é feita. Inúmeras teorias e experimentos estão em andamento para descobrir sua verdadeira natureza.

Ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo produzidas por alguns dos eventos mais energéticos do universo, como colisões entre buracos negros ou estrelas de nêutrons. No entanto, nem todas as ondas gravitacionais vêm de eventos tão dramáticos. Um tipo diferente, conhecido como ondas gravitacionais estocásticas, surge de uma variedade de processos que não envolvem objetos massivos.

Essas ondas são muito mais fracas e fazem parte do sinal de fundo que preenche o universo. Muitas delas são extremamente antigas, datando das fases iniciais após o Big Bang. Elas podem ter sido geradas durante momentos-chave na história cósmica, incluindo transições de fase à medida que o universo esfriava ou a partir de campos magnéticos primordiais.

"Neste artigo, investigamos a possibilidade de ondas gravitacionais — que se acredita terem sido onipresentes no universo primitivo — serem parcialmente convertidas em partículas de matéria escura", explicou Kopp. "Isso leva a um novo mecanismo de produção de matéria escura que não foi pesquisado antes."

O estudo sugere que essas ondas gravitacionais primitivas poderiam ter produzido férmions que inicialmente tinham pouca ou nenhuma massa. Férmions são uma ampla classe de partículas que inclui exemplos familiares como elétrons, prótons e nêutrons. De acordo com os pesquisadores, esses férmions primitivos podem ter ganhado massa mais tarde e evoluído para as partículas de matéria escura que existem hoje.

"O próximo passo no desenvolvimento desta linha de pesquisa é ir além de nossas estimativas analíticas e realizar cálculos numéricos para melhorar a precisão de nossas previsões. Outra via para pesquisas futuras é a investigação de outros possíveis efeitos das ondas gravitacionais no universo primitivo. Um exemplo disso seria um mecanismo que pudesse explicar a conhecida diferença na produção de partículas e antipartículas", disse Kopp.