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 dottoressa Azadeh Maleknejad dell’Università di Swansea, le onde gravitazionali potrebbero aver giocato un ruolo chiave nella creazione della materia oscura durante le prime fasi dell’universo. Pubblicata su Physical Review Letters , la ricerca introduce nuovi calcoli che indicano un processo finora inesplorato in cui le cosiddette onde gravitazionali stocastiche potrebbero dare origine alla materia oscura.
Questo lavoro affronta uno dei più grandi interrogativi irrisolti della fisica delle particelle. Tutto ciò che possiamo vedere, inclusi pianeti, stelle e la vita sulla Terra, è costituito da 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. La sola materia oscura rappresenta circa il 23 percento dell’universo.
Le osservazioni dimostrano che la materia oscura è diffusa in tutto lo spazio, plasmando le galassie e le più grandi strutture cosmiche. Nonostante la sua enorme influenza, gli scienziati non sanno ancora di cosa sia composta. Numerose teorie ed esperimenti sono in corso per svelarne la vera natura.
Onde gravitazionali e una nuova via per la formazione di particelle
Le onde gravitazionali sono increspature dello spaziotempo prodotte da alcuni degli eventi più energetici dell’universo, come le collisioni tra buchi neri o stelle di neutroni. Tuttavia, non tutte le onde gravitazionali derivano da eventi così spettacolari. Un tipo diverso, noto come onde gravitazionali stocastiche, ha origine da una serie di processi che non coinvolgono oggetti massicci.
Queste onde sono molto più deboli e fanno parte del segnale di fondo che pervade l’universo. Molte di esse sono estremamente antiche, risalenti alle primissime fasi successive al Big Bang. Potrebbero essere state generate durante momenti chiave della storia cosmica, incluse le transizioni di fase dovute al raffreddamento dell’universo o da campi magnetici primordiali.
“In questo articolo, analizziamo la possibilità che le onde gravitazionali, che si ritiene fossero onnipresenti nell’universo primordiale, si siano parzialmente convertite in particelle di materia oscura”, ha spiegato Kopp. “Questo porta a un nuovo meccanismo di produzione della materia oscura che non era mai stato studiato prima.”
Dalle onde dell’universo primordiale alle particelle di materia oscura
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 ben noti come elettroni, protoni e neutroni. Secondo i ricercatori, questi primi fermioni potrebbero in seguito aver acquisito massa ed essersi evoluti nelle particelle di materia oscura che esistono oggi.
Cosa succederà ora a questa teoria?
“Il prossimo passo nello sviluppo di questa linea di ricerca è quello di andare oltre le nostre stime analitiche ed effettuare calcoli numerici per migliorare l’accuratezza delle nostre previsioni. Un’altra direzione per la ricerca futura è l’indagine su ulteriori possibili effetti delle onde gravitazionali nell’universo primordiale. Un esempio potrebbe essere un meccanismo in grado di spiegare la ben nota differenza tra particelle e antiparticelle prodotte”, ha affermato Kopp.
- Azadeh Maleknejad, Joachim Kopp. Gravitational-Wave Induced Freeze-In of Fermionic Dark Matter. Physical Review Letters, 2026; 136 (13) DOI: 10.1103/lr69-45v8
by 