Los científicos de la Universidad de Minnesota Twin Cities y la Universidad Paris-Saclay están cuestionando nociones arraigadas sobre la materia oscura. Sus últimos hallazgos sugieren que esta esquiva sustancia puede haber sido “increíblemente caliente” (moviéndose casi a la velocidad de la luz) cuando se formó por primera vez, en lugar de fría y lenta, como los investigadores habían asumido durante mucho tiempo.
El trabajo fue publicado. carta de revisión físicaRevista insignia de la Sociedad Estadounidense de Física. Al repensar cómo pudo haber surgido la materia oscura en el universo primitivo, la investigación amplía la gama de posibles explicaciones sobre el origen de la materia oscura y cómo podría interactuar con otros tipos de materia.
Desafiando la hipótesis de la materia fría y oscura
Durante décadas, los científicos creyeron que la materia oscura debía haberse enfriado al separarse de la intensa radiación que llenaba el universo joven, un proceso conocido como congelación. La materia oscura fría se mueve lentamente, una propiedad que se cree esencial para la formación de galaxias y estructuras cósmicas a gran escala. Para revisar esta hipótesis, el equipo de investigación se centró en una fase crítica pero poco explorada de la historia cósmica llamada recalentamiento posinflacionario.
Durante el recalentamiento, el universo se fue llenando rápidamente de partículas tras el fin de la inflación cósmica. Los investigadores examinaron cómo podría formarse la materia oscura durante este período energético y qué implica esto para su comportamiento posterior.
¿Por qué alguna vez se rechazó la materia oscura caliente?
“El candidato a materia oscura más simple (un neutrino de baja masa) fue descartado hace más de 40 años porque habría destruido en lugar de sembrar estructuras de tamaño galáctico”, dijo el profesor Keith Olive de la Facultad de Física y Astronomía. “El neutrino se ha convertido en el principal ejemplo de materia oscura caliente, cuya composición depende de la materia oscura fría. Es sorprendente que un candidato similar, si se produjera justo cuando se creó el universo caliente del Big Bang, pudiera enfriarse hasta el punto en que en realidad actuaría como materia oscura fría”.
En el pasado, las partículas que se movían rápidamente, como los neutrinos, se descartaban porque sus altas velocidades habrían suavizado la materia en el universo primitivo, impidiendo la formación de galaxias. Esto ha hecho que la materia oscura fría sea la explicación preferida durante décadas.
Enfriamiento durante la formación de galaxias
El nuevo estudio muestra que la materia oscura no necesita necesariamente un arranque en frío. Los investigadores demostraron que las partículas de materia oscura pueden separarse de otra materia mientras aún son superrelativistas (o extremadamente calientes) y ralentizarse lo suficiente antes de que las galaxias comiencen a formarse. La razón por la que esto funciona está directamente relacionada con el recalentamiento, que da a las partículas tiempo suficiente para enfriarse a medida que el universo se expande.
“La materia oscura es famosa por su misterio. Una de las pocas cosas que sabemos sobre ella es que necesita estar fría”, dijo Stephen Heinrich, estudiante de posgrado en la Facultad de Física y Astronomía y autor principal del artículo. “Como resultado, durante las últimas cuatro décadas, la mayoría de los investigadores creyeron que la materia oscura debe haberse enfriado cuando nació en el universo primordial. Nuestros resultados recientes muestran que este no es el caso; de hecho, la materia oscura puede estar al rojo vivo al nacer, pero tiene tiempo de enfriarse antes de comenzar a formar galaxias”.
Detección y observación del universo primitivo.
El equipo planea aprovechar estos hallazgos explorando cómo podrían detectarse dichas partículas de materia oscura. Los posibles enfoques incluyen la detección directa mediante experimentos de colisión o dispersión de partículas, así como la detección indirecta mediante observaciones astronómicas.
“Con nuestros nuevos hallazgos, podremos acceder a un período de la historia del universo muy cercano al Big Bang”, dijo Ian Mambrini, profesor de la Universidad Paris-Saclay en Francia y coautor del artículo.
La investigación contó con financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en el marco del acuerdo de subvención Marie Sklodowska-Curie.
