Rappresentazione artistica della nucleosintesi primordiale, il periodo dell’universo in cui i protoni “p” e i neutroni “n” si combinarono per formare elementi leggeri. La presenza di materia oscura “χ” cambia la quantità di ogni elemento che si formerà. Crediti: Cara Giovanetti/Università di New York
Un team di astrofisici guidati dal centro di cosmologia e fisica delle particelle dell’Università di New York ha sviluppato un metodo per prevedere la composizione della misteriosa materia oscura, materia che non emette, assorbe o riflette la luce, la cui presenza è nota solo attraverso l’attrazione gravitazionale che essa esercita sulla materia ordinaria.
Il lavoro di ricerca, apparso sulla rivista Physical Review Letters, è incentrato sulla previsione di “firme cosmologiche” per modelli di materia oscura costituita da particelle di piccola massa.
Studi precedenti avevano previsto firme simili per modelli di materia oscura più semplici. Questo studio, spiegano i ricercatori, introduce nuovi modi per trovare queste firme utilizzando modelli più complessi che tengono conto dell’abbondanza di elementi leggeri e delle temperature delle diverse particelle nell’universo primordiale.
«Gli esperimenti che cercano la materia oscura non sono l’unico modo per saperne di più su questo misterioso tipo di materia», dice Cara Giovanetti, dottoranda al Dipartimento di Fisica dell’Università di New York e autrice principale dello studio. «Misure di precisione di diversi parametri del cosmo, ad esempio la quantità di elio o le temperature delle diverse particelle nell’universo primordiale, possono dirci molto sulla materia oscura».
Più nel dettaglio, Giovanetti e colleghi hanno cercato un modo per individuare la presenza di una specifica categoria di materia oscura: la materia oscura “leggera”, quella cioè costituita da particelle con una massa compresa tra quella dell’elettrone e del protone. Per farlo hanno creato modelli che tengono conto sia della nucleosintesi primordiale – il processo mediante il quale si ritiene sia stata creata la materia costituita da elementi chimici leggeri quali l’elio, l’idrogeno e il litio – che del fondo cosmico a microonde (Cmb), la radiazione elettromagnetica fossile del Big Bang.
Il motivo di tale scelta, spiega Giovanetti, è che «questa materia oscura può modificare l’abbondanza di alcuni elementi prodotti nell’universo primordiale e lasciare un’impronta nel fondo cosmico a microonde, modificando la velocità con cui l’universo si espande».
Come accennato, il modo in questione è la predizione di firme cosmologiche legate alla presenza di tale materia oscura: la conseguenza del cambiamento nella temperatura di diverse particelle o dell’alterazione della velocità di espansione dell’universo che essa induce.
I risultati? «Forme più leggere di materia oscura potrebbero far espandere l’universo così velocemente che questi elementi chimici non avrebbero la possibilità di formarsi» sottolinea Giovanetti. «Dalla nostra analisi apprendiamo che alcuni modelli di materia oscura non possono avere una massa troppo piccola, altrimenti l’universo sembrerebbe diverso da quello che osserviamo».
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Joint Cosmic Microwave Background and Big Bang Nucleosynthesis Constraints on Light Dark Sectors with Dark Radiation” di Cara Giovanetti, Mariangela Lisanti, Hongwan Liu e Joshua T. Ruderman