Las ondas gravitacionales podrían haber creado materia oscura en el universo primitivo

Un nuevo estudio, liderado por el profesor Joachim Kopp de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz y el Cluster de Excelencia PRISMA++, junto con la doctora Azadeh Maleknejad de la Universidad de Swansea, propuso que las ondas gravitacionales jugaron un papel fundamental en la creación de la materia oscura durante los momentos más tempranos del universo. Publicada en Physical Review Letters, esta investigación introduce cálculos que sugieren un proceso inexplorado en el que las llamadas ondas gravitacionales estocásticas podrían dar origen a la materia oscura.

Este trabajo aborda una de las preguntas más grandes sin respuesta en la física de partículas. Lo que podemos observar, incluidos planetas, estrellas y la vida en la Tierra, está compuesto de materia visible, que representa solo alrededor del cuatro por ciento del universo. La mayor parte del cosmos permanece oculta, compuesta de materia oscura y energía oscura, siendo la materia oscura responsable de aproximadamente el 23 por ciento del universo.

Las observaciones indican que la materia oscura se distribuye a lo largo del espacio, moldeando galaxias y las estructuras cósmicas más grandes. A pesar de su influencia, los científicos aún no saben de qué está compuesta la materia oscura. Numerosas teorías y experimentos están en marcha para descubrir su verdadera naturaleza.

Ondas Gravitacionales y un Nuevo Camino hacia la Formación de Partículas

Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el espacio-tiempo producidas por algunos de los eventos más energéticos del universo, como colisiones entre agujeros negros o estrellas de neutrones. Sin embargo, no todas las ondas gravitacionales provienen de eventos dramáticos. Un tipo diferente, conocido como ondas gravitacionales estocásticas, surge de una variedad de procesos que no involucran objetos masivos.

Estas ondas son mucho más débiles y forman parte de la señal de fondo que llena el universo. Muchas de ellas son extremadamente antiguas, datando de las fases más tempranas después del Big Bang. Pueden haberse generado durante momentos clave en la historia cósmica, incluidos transiciones de fase a medida que el universo se enfriaba o a partir de campos magnéticos primordiales.

"En este artículo, investigamos la posibilidad de que las ondas gravitacionales, que se cree que fueron ubicuas en el universo temprano, se conviertan parcialmente en partículas de materia oscura", explicó Kopp. "Esto conduce a un nuevo mecanismo de producción de materia oscura que no se ha investigado anteriormente".

De Ondas del Universo Temprano a Partículas de Materia Oscura

El estudio sugiere que estas ondas gravitacionales tempranas podrían haber producido fermiones que inicialmente tenían poca o ninguna masa. Los fermiones son una amplia clase de partículas que incluyen ejemplos familiares como electrones, protones y neutrones. Según los investigadores, estos fermiones primordiales podrían haber ganado masa posteriormente y evolucionado en las partículas de materia oscura que existen hoy.

¿Qué Sigue para Esta Teoría?

"El siguiente paso en el desarrollo de esta línea de investigación es ir más allá de nuestras estimaciones analíticas y realizar cálculos numéricos para mejorar la precisión de nuestras predicciones. Otra vía para la investigación futura es la exploración de otros posibles efectos de las ondas gravitacionales en el universo temprano. Un ejemplo de esto podría ser un mecanismo que explique la conocida diferencia en las partículas y antipartículas producidas", agregó Kopp.