La cosmologia standard, cioè la teoria del Big Bang caratterizzata dal suo iniziale periodo di rapida espansione esponenziale, nota come inflazione, rappresenta il modello scientifico maggiormente accettato per descrivere la nascita del nostro Universo. Secondo questo modello, lo spazio e il tempo ebbero origine da un punto estremamente denso e caldo che si trasformò in una vastità cosmica omogenea e in continua espansione. La teoria tiene conto di diversi fenomeni fisici che osserviamo ma la domanda è: che succede se essa non descrive effettivamente tutto ciò di cui è fatto l’Universo? Oggi, un nuovo modello, proposto da alcuni fisici del Brookhaven National Laboratory (BNL), Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) e della Stony Brook University suggerisce la presenza di un secondo, successivo periodo d’inflazione, di durata più breve rispetto a quello iniziale, e che potrebbe spiegare la percentuale di materia oscura presente oggi nell’Universo. I risultati di questo studio sono riportati su Physical Review Letters.
Un nuovo modello suggerisce un secondo periodo d’inflazione cosmica di durata più breve rispetto a quello iniziale e che potrebbe tener conto della percentuale di materia oscura che osserviamo oggi nell’Universo. Crediti: Brookhaven National Laboratory (BNL)
“Se da un lato una teoria fondamentale può spiegare certi fenomeni della natura, dall’altro potrebbe non sempre finire per darci la giusta quantità di materia oscura, e averne tanta diventa un problema”, spiega Hooman Davoudiasl dell’High-Energy Theory Group presso il Brookhaven National Laboratory e autore principale dello studio.
Misurare l’abbondanza di materia oscura presente nello spazio cosmico non è un lavoro semplice. Sappiamo che si tratta di una sostanza non visibile e che non interagisce in alcun modo significativo con la materia ordinaria. Nonostante ciò, gli effetti gravitazionali della materia oscura forniscono agli scienziati una buona idea di quanta ce n’è là fuori. Infatti, le stime migliori indicano che essa costituisce circa un quarto del contenuto materia-energia dell’Universo mentre la materia ordinaria, cioè quella di cui sono formate le stelle, i pianeti e persino noi stessi, comprende appena il 5 percento. La materia oscura è la forma dominante della materia presente nell’Universo e oggi i fisici sono impegnati a formulare teorie ed esperimenti per studiare le sue proprietà e comprendere la sua origine e natura.
Certe teorie che spiegano in maniera elegante alcune stranezze della fisica, come ad esempio la debole intensità della forza di gravità rispetto alle altre tre interazioni fondamentali, non possono essere completamente accettate, perché predicono più materia oscura rispetto a quanto emerge dalle osservazioni. Questa nuova idea, invece, risolverebbe il problema: in altre parole, gli autori hanno aggiunto un ulteriore evento, rispetto a quelli comunemente accettati, in relazione all’origine dello spazio e del tempo.
Nella cosmologia standard, l’espansione esponenziale dell’Universo, chiamata per l’appunto inflazione cosmica, iniziò molto probabilmente 10-35 secondi dopo il Big Bang. Questo evento decisamente esplosivo durò qualche frazione di frazione di secondo e alla fine generò uno spazio molto caldo seguito da un periodo in cui l’Universo divenne sempre più freddo, un fatto che continua ancora oggi. Poi, dopo qualche minuto, quando cioè la temperatura dell’Universo divenne più bassa, iniziarono a formarsi gli elementi più leggeri. “Nel bel mezzo di questi eventi possono essersi verificati altri periodi inflazionari”, dice Davoudiasl. “Non sarebbero stati così grandiosi o violenti come quello iniziale ma potrebbero aver diluito, per così dire, la materia oscura”.
All’inizio, quando le temperature presenti in un volume di spazio relativamente piccolo salirono superando i miliardi di gradi, le particelle di materia oscura interagirono le une con le altre annichilando continuamente e trasformando la loro energia nei costituenti standard della materia ordinaria, come elettroni e quark. Man mano, però, che l’Universo continuava ad espandersi e a raffreddarsi, le particelle di materia oscura interagivano meno spesso, perciò il tasso di annichilazione non fu più in grado di seguire quello dell’espansione cosmica. “A questo punto”, fa notare Davoudiasl, “ciò che rimane della materia oscura è ‘cotto nella torta’. Ricordiamoci che la materia oscura interagisce molto debolmente. Perciò, non può persistere un tasso di annichilazione significativo a temperature più basse. L’auto-annichilazione delle particelle di materia oscura diventò ben presto inefficiente e quindi la loro percentuale divenne congelata”.
Ad ogni modo, più deboli sono le interazioni tra le particelle di materia oscura, cioè meno efficiente è il processo di annichilazione, e più elevata dovrebbe risultare la percentuale finale di particelle che la compongono. Anche se gli esperimenti pongono dei limiti sempre più stringenti all’intensità delle interazioni tra le particelle di materia oscura, alcune teorie finiscono per sovrastimare la percentuale di materia oscura presente nell’Universo. Dunque, per allineare la teoria con le osservazioni Davoudiasl e colleghi suggeriscono che sia esistito un altro periodo inflazionario causato da tutta una serie di interazioni che fanno parte del cosiddetto “settore nascosto” della fisica. Questo secondo, e meno drammatico, periodo d’inflazione cosmica, caratterizzato da un rapido incremento di volume dello spazio, avrebbe in qualche modo “diluito” l’abbondanza delle particelle primordiali, lasciando potenzialemente l’Universo con la densità di materia oscura che gli astronomi misurano oggi.
“In definitiva, non stiamo parlando di cosmologia standard”, dice Davoudiasl, “ma dovremmo accettare il fatto che l’Universo potrebbe non essere governato da leggi fisiche nel modo che pensiamo. Non abbiamo preso in considerazione cose complicate. Abbiamo mostrato come un semplice modello sia in grado di contenere un ulteriore periodo inflazionario di durata ancora più breve e di descrivere la quantità di materia oscura che crediamo essere presente là fuori”.
Tuttavia, dimostrare l’attendibilità della teoria è un’altra storia. “Per far questo”, conclude Davoudiasl, “potremmo cercare quelle interazioni più deboli tra il settore oscuro e la materia ordinaria. La nostra idea è che se davvero è accaduto questo secondo periodo inflazionario, forse potrebbe essere stato caratterizzato da energie raggiungibili dagli acceleratori come il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) e il Large Hadron Collider (LHC)”. Insomma, solo il tempo ci dirà se all’interno di questi collisori, o di altri esperimenti, si registreranno a seguito delle collisioni particellari alcuni segnali riconducibili al settore oscuro della fisica.
Per saperne di più:
- Leggi il preprint su arXiv: Inflatable Dark Matter