La materia oscura, quel costituente invisibile dell'universo che rappresenta circa l'85% di tutta la materia esistente ma che sfugge ancora a ogni osservazione diretta, potrebbe avere avuto un'origine radicalmente diversa da quanto ipotizzato negli ultimi quarant'anni. Un team di ricercatori dell'Università del Minnesota Twin Cities e dell'Université Paris-Saclay ha pubblicato sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters uno studio che rimette in discussione uno dei pilastri della cosmologia moderna: l'assunto che la materia oscura debba necessariamente essere "fredda" fin dalla sua formazione nell'universo primordiale. I risultati suggeriscono invece che questa sostanza enigmatica potrebbe essere stata estremamente calda al momento della sua nascita, con particelle che si muovevano a velocità prossime a quella della luce, per poi raffreddarsi gradualmente durante l'espansione cosmica.
Per comprendere la portata di questa scoperta occorre tornare indietro di oltre quattro decenni, quando i fisici teorici esclusero definitivamente l'ipotesi del neutrino a bassa massa come candidato per la materia oscura. Come spiega Keith Olive, professore presso la School of Physics and Astronomy dell'Università del Minnesota, "il candidato più semplice per la materia oscura venne scartato oltre 40 anni fa poiché avrebbe cancellato le strutture delle dimensioni delle galassie invece di favorirne la formazione". I neutrini, particelle elementari dotate di massa minuscola e velocità elevatissime, divennero l'esempio paradigmatico di ciò che non poteva funzionare: la cosiddetta materia oscura calda. Particelle troppo veloci avrebbero infatti "levigato" la distribuzione della materia nell'universo primordiale, impedendo la formazione delle fluttuazioni di densità necessarie perché si aggregassero galassie e ammassi galattici.
Da allora, il modello della materia oscura fredda è diventato il paradigma dominante della cosmologia. In questo scenario, le particelle di materia oscura si sarebbero separate dalla radiazione intensa che riempiva l'universo giovane attraverso un processo denominato "freeze-out" (congelamento), muovendosi lentamente fin dall'inizio. Questa bassa velocità è stata ritenuta essenziale per permettere alle perturbazioni gravitazionali di crescere e dare origine alle strutture su larga scala che osserviamo oggi. Il nuovo studio coordinato da Stephen Henrich, dottorando presso la stessa istituzione americana, e da Yann Mambrini dell'università francese, sfida proprio questo assunto consolidato concentrandosi su una fase critica ma relativamente poco esplorata della storia cosmica: il riscaldamento post-inflazionario.
Durante l'epoca del reheating, immediatamente successiva alla fase di inflazione cosmica che caratterizzò i primissimi istanti dopo il Big Bang, l'universo si riempì rapidamente di particelle attraverso processi ad altissima energia. I ricercatori hanno esaminato in dettaglio come la materia oscura potrebbe essersi formata proprio in questo periodo estremamente energetico e quali conseguenze ciò avrebbe per il suo comportamento successivo. Il risultato sorprendente è che le particelle di materia oscura potrebbero essersi separate dal resto della materia in uno stato ultrarelativistico, quindi estremamente caldo, pur riuscendo comunque a rallentare sufficientemente prima dell'inizio della formazione galattica.
La chiave di questa apparente contraddizione risiede precisamente nella durata e nelle caratteristiche del reheating. Questo periodo fornisce un intervallo temporale sufficiente perché le particelle inizialmente velocissime si raffreddino progressivamente mentre l'universo si espande, raggiungendo velocità compatibili con la formazione delle strutture cosmiche osservate. "La materia oscura è famosamente enigmatica. Una delle poche cose che sappiamo con certezza è che deve essere fredda", commenta Henrich. "Per quattro decenni, la maggior parte dei ricercatori ha creduto che dovesse essere fredda fin dalla sua nascita nell'universo primordiale. I nostri risultati dimostrano che non è così; la materia oscura può essere incandescente quando nasce, ma ha comunque tempo per raffreddarsi prima della formazione delle galassie".
Le implicazioni di questa ricerca si estendono ben oltre la teoria cosmologica. Ampliando lo spettro delle possibili origini della materia oscura, lo studio apre nuove strade sia per la comprensione dei meccanismi attraverso cui questa sostanza interagisce con le altre forme di materia, sia per la progettazione di esperimenti di rivelazione. Gli autori stanno già lavorando per identificare modalità concrete di ricerca di queste particelle, che potrebbero includere esperimenti di collisione nei grandi acceleratori di particelle, rivelatori basati su scattering diretto oppure osservazioni astronomiche indirette volte a individuare gli effetti gravitazionali o le tracce energetiche lasciate da queste particelle.
Come sottolinea Mambrini, coautore dello studio, "con le nostre nuove scoperte potremmo essere in grado di accedere a un periodo nella storia dell'universo molto vicino al Big Bang stesso". Questa prospettiva è particolarmente rilevante nel panorama della ricerca europea, dato che lo studio ha beneficiato di finanziamenti del programma Horizon 2020 dell'Unione Europea attraverso una borsa Marie Skłodowska-Curie. La possibilità di sondare fasi così precoci della storia cosmica potrebbe fornire vincoli fondamentali non solo sulla natura della materia oscura, ma anche sui meccanismi che hanno governato l'evoluzione dell'universo nei suoi primi istanti.
