Fotoni oscuri” all’alba cosmica del Big Bang potrebbero far luce sulla materia oscura

Un’illustrazione mostra l’espansione dell’universo durante l’alba cosmica, mentre il suo lato oscuro, dominato da fotoni oscuri e materia oscura, evolve anch’esso. Osservare le interazioni tra la materia oscura e i cosiddetti “fotoni oscuri” durante un periodo successivo al Big Bang chiamato “alba cosmica” potrebbe aiutare a far luce sulla forma di materia più misteriosa e problematica dell’universo. Le particelle di materia oscura superano di circa cinque a uno la materia ordinaria, che comprende oggetti come stelle, pianeti, lune, asteroidi, nubi cosmiche di gas e polvere, e tutti gli esseri viventi. Ciò significa che tutte quelle cose elencate — e tutto il resto che vediamo nell’universo e qui sulla Terra — rappresentano circa il 15% della materia nel cosmo, e abbiamo poca idea di cosa sia effettivamente l’altro 85%. Parte del motivo per cui questo mistero è persistito negli ultimi nove decenni è che la materia oscura è effettivamente invisibile perché non interagisce con le particelle di luce, o “fotoni”, come fa la materia ordinaria composta da atomi (che a loro volta comprendono elettroni, protoni e neutroni). Tuttavia, gli scienziati hanno proposto che anche i fotoni possano avere un lato oscuro. La materia oscura potrebbe interagire con questi cosiddetti “fotoni oscuri” proprio come i fotoni regolari interagiscono con la materia composta da atomi. Ora, seguendo questa possibilità, un team di scienziati ha proposto che le interazioni tra fotoni oscuri e materia oscura nei primi 500 milioni di anni dopo il Big Bang, ovvero l’alba cosmica, potrebbero aver lasciato una “firma” nell’universo. Gli scienziati teorizzano che questa firma potrebbe essere rilevata oggi e utilizzata per indagare i misteri della materia oscura. “I fotoni oscuri sono particelle teoriche che estendono il concetto di elettromagnetismo nel ‘settore oscuro’. Sono simili ai fotoni regolari ma interagiscono principalmente con la materia oscura piuttosto che con la materia ordinaria”, ha spiegato un membro del team e professore associato presso il Cosmic Dawn Center dell’Università di Copenaghen, Charlotte Mason. “Le interazioni tra fotoni oscuri e materia oscura potrebbero aver prodotto oscillazioni — simili alle onde sonore — che si sono fermate poco dopo il Big Bang.” Mentre il fatto che la materia oscura non interagisca con la luce o con la materia ordinaria potrebbe suggerire che sia una sorta di fantasma cosmico, osservando l’universo ma proibito dall’interferire, nulla potrebbe essere più lontano dalla verità. Questa forma di materia ha giocato un ruolo chiave nel raccogliere le prime galassie. Ciò significa che queste ipotetiche interazioni, note come “oscillazioni acustiche oscure”, potrebbero contenere i progetti segreti dell’evoluzione su larga scala del cosmo sotto l’influenza della materia oscura. La materia oscura non interagisce con la luce o la materia ordinaria, ma interagisce con la gravità, modellando il tessuto dello spazio con questa influenza. Questo porta a una deformazione dello spazio, che, a sua volta, può influenzare la luce e la materia ordinaria. Nei tempi moderni, questa influenza ha permesso agli scienziati di dedurre la presenza della materia oscura, ma come ha sottolineato Mason, ha avuto un ruolo ancora più cruciale nell’universo primordiale. Questo perché, durante questo periodo, si pensava che le prime galassie si fossero assemblate all’interno di un “impalcatura” di materia oscura. “L’alba cosmica è quando si sono formate le prime stelle e galassie, rendendolo un momento perfetto per studiare come la materia oscura influisce sulla formazione delle galassie”, ha spiegato Mason. “Il modo in cui le galassie si sono formate, quando si sono formate e quanto rapidamente si sono formate era altamente sensibile alla distribuzione su piccola scala della materia oscura. Questo rende l’alba cosmica un ‘laboratorio’ ideale per testare come si comporta la materia oscura e per potenzialmente imparare di più sulle sue proprietà. “L’alba cosmica è stato un capitolo mancante nella nostra comprensione dell’universo.” Mason ha aggiunto che, grazie a nuove tecnologie come il James Webb Space Telescope (JWST) e radiotelescopi come l’Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), il Low-Frequency Array (LOFAR) e il Square Kilometer Array (SKA), gli scienziati stanno finalmente iniziando a esplorare questo periodo della storia cosmica. Questo è fortunato perché l’alba cosmica fornisce una visione unica della materia oscura su piccola scala persa nell’universo moderno. “In questa fase iniziale, gli effetti dirompenti delle galassie — come le esplosioni di supernova e il gas che viene spazzato via — erano meno significativi rispetto a più tardi nella storia dell’universo”, ha detto Mason. Se i fotoni oscuri esistevano all’alba cosmica, le loro interazioni con la materia oscura potrebbero aver lasciato tracce della formazione delle galassie. “Le oscillazioni acustiche oscure hanno aggiunto piccole increspature alle fluttuazioni di densità create dopo il Big Bang. Questo avrebbe influenzato la formazione delle galassie creando regioni di maggiore e minore densità, sovrapponendosi alle fluttuazioni iniziali del Big Bang”, ha continuato Mason. “Le galassie si sarebbero formate più rapidamente nelle aree dense e più lentamente in quelle meno dense.” Questo se riusciremo a capire come leggerle. Questa ricerca deve avvenire a grandi distanze e, quindi, più indietro nel tempo. “Col tempo, poiché la gravità ha causato l’evoluzione di queste fluttuazioni, si prevede che gli effetti sottili delle oscillazioni acustiche oscure si appianino, quindi non saranno così facili da rilevare oggi”, ha spiegato Mason. I risultati del team suggeriscono che, sotto criteri specifici, nonostante la sottigliezza di questi segnali, un radiotelescopio operativo potrebbe essere abbastanza sensibile da rilevarli o, altrettanto importante, la loro assenza nel prossimo futuro. “Abbiamo scoperto che, anche tenendo conto della complessa fisica della formazione delle galassie, se la materia oscura ha oscillazioni a certe scale, dovremmo essere in grado di rilevarle (o escluderle) con HERA nei prossimi anni”, ha detto Mason. “Questa è una prospettiva molto eccitante!” “Le osservazioni radio di HERA sono in corso, quindi saremo molto entusiasti di vedere questi modelli testati nella loro analisi finale dei dati”, ha concluso Mason. “Poiché la materia oscura è uno dei più grandi misteri della fisica, qualsiasi nuova intuizione che otteniamo sulla sua natura sarebbe estremamente preziosa.”