Il plasma dell'universo primordiale potrebbe aver impedito ai fotoni oscuri di riscaldare il cosmo

Il plasma dell'universo primordiale potrebbe aver impedito ai fotoni scuri di riscaldare il cosmo, secondo uno studio pubblicato su Physical Review Letters. I ricercatori suggeriscono che i fotoni scuri, una forma proposta di materia oscura, probabilmente non hanno contribuito in modo significativo alla storia termica dell'universo primordiale a causa di interazioni non lineari all'interno del plasma primordiale.

Le loro ricerche indicano che i fotoni scuri, se esistessero, non avrebbero convertito efficacemente la loro energia in radiazione elettromagnetica nell'ambiente ad alta energia dell'universo primordiale. Di conseguenza, le regioni dello spazio parametrico una volta considerate improbabili per i fotoni scuri potrebbero invece ospitare candidati vitali. In precedenza, gli scienziati credevano che i fotoni scuri interagissero con il plasma denso di particelle cariche presenti poco dopo il Big Bang, trasferendo energia e causando un riscaldamento misurabile. Questo processo era pensato per limitare la possibile massa e la forza dei fotoni scuri.

Tuttavia, i nuovi modelli computazionali rivelano che il trasferimento di energia avviene in modo altamente non lineare, arrestando efficacemente il processo di conversione prima che si verifichi un riscaldamento sostanziale. Huang ha osservato che studi precedenti si basavano su un'approssimazione lineare per modellare l'interazione tra fotoni scuri e plasma. Questo metodo, sebbene computazionalmente semplice, sottovalutava il trasferimento di energia effettivo. "Il trattamento degli ultimi 15 anni è un trattamento lineare. Se si utilizza quell'approssimazione, è possibile calcolare la quantità di trasferimento di energia, ed è molto grande", ha spiegato.

Per affrontare questo problema, il team ha rivisto i principi fondamentali della fisica del plasma, coinvolgendo infine Shalaby, la cui esperienza nel campo ha permesso simulazioni più accurate. Queste simulazioni hanno mostrato che il sistema passa rapidamente in uno stato di violenta non linearità una volta che l'energia dei fotoni scuri inizia a interagire con il plasma. "Ciò che abbiamo capito è che, mentre si converte energia nel plasma del Modello Standard, il plasma in realtà impazzisce", ha detto Huang. I risultati implicano che i vincoli tradizionali sulle proprietà dei fotoni scuri sono in gran parte invalidi su una vasta gamma di masse.

In particolare, la nuova analisi suggerisce che i limiti cosmologici convenzionali si applicano solo ai fotoni scuri con masse superiori a circa 10−15 eV. Al di sotto di questa soglia, che copre circa 10 ordini di grandezza fino a 10−6 eV, le ipotesi precedenti si rompono. Questo corrisponde a frequenze radio che vanno da kilohertz a gigahertz. Shalaby ha sottolineato che ricalibrare la comprensione dei fotoni scuri potrebbe aprire nuove strade per rilevare altre particelle sfuggenti. "Calcolando correttamente il plasma dell'universo primordiale, gli esperimenti sonderanno nuovi spazi parametrici e potenzialmente vedranno effettivamente qualcosa", ha affermato.

Oltre ai fotoni scuri, le implicazioni si estendono ad altre aree dell'astrofisica. Huang ha sottolineato che l'applicazione di effetti non lineari ad altre particelle potrebbe portare a una rivalutazione del loro comportamento in ambienti estremi come stelle di neutroni o nane bianche. "Le approssimazioni lineari, che sono facili da calcolare, potrebbero non avere nulla a che fare con il comportamento reale della magnetosfera di una stella di neutroni o di una nana bianca", ha aggiunto. Lo studio esemplifica il valore della collaborazione interdisciplinare, un segno distintivo del Perimeter Institute.

Integrando le conoscenze della fisica del plasma e della fisica delle particelle, i ricercatori hanno messo in discussione ipotesi di lunga data e aperto nuove frontiere nella ricerca della materia oscura.