Nuevo modelo matemático sugiere que la materia oscura puede ser más antigua que el Big Bang

Una simulación por ordenador muestra que la materia oscura se distribuye de manera agrupada pero organizada. En la figura, las regiones de alta densidad aparecen brillantes, mientras que las regiones oscuras están casi vacías, pero no completamente. Crédito: Instituto de Física y Matemáticas del Universo.

Un nuevo modelo matemático sugiere que la materia oscura pudo haberse producido antes del Big Bang durante la inflación cósmica, cuando el espacio se expandía rápidamente 

Los investigadores creen que la materia oscura constituye aproximadamente el 80% de la masa del universo, pero sus orígenes y composición siguen siendo uno de los misterios más difíciles de alcanzar en la física moderna. Un nuevo estudio de la Universidad Johns Hopkins sugiere que la materia oscura pudo haber existido antes del Big Bang. 

El estudio, publicado en _Physical Review Letters, presenta una nueva idea de cómo se creó la materia oscura y cómo podría identificarse durante las observaciones astronómicas. 

"El estudio reveló una nueva conexión entre la física de partículas y la astronomía", dice Tommi Tenkanen, becario postdoctoral en el Departamento de Física y Astronomía de JHU y autor del estudio. "Si la materia oscura consiste en nuevas partículas que nacieron antes del Big Bang, afectan la forma en que las galaxias se distribuyen en el cielo de una manera única. Esta conexión puede usarse para revelar su identidad y sacar conclusiones sobre los tiempos anteriores al Big Bang, también." 

Si bien no se sabe mucho sobre sus orígenes, los astrónomos han demostrado que la materia oscura desempeña un papel crucial en la formación de galaxias y cúmulos de galaxias. Aunque no es directamente observable, los científicos saben que la materia oscura existe por sus efectos gravitacionales sobre cómo la materia visible se mueve y se distribuye en el espacio. 

Durante mucho tiempo, los investigadores creyeron que la materia oscura debe ser un subproducto del Big Bang. Los científicos han buscado durante mucho tiempo este tipo de materia oscura, pero hasta ahora todas las búsquedas experimentales no han tenido éxito. 

"Si la materia oscura fuera realmente un remanente del Big Bang, entonces, en muchos casos, los investigadores ya deberían haber visto una señal directa de materia oscura en diferentes experimentos de física de partículas", dice Tenkanen. 

Mapa de materia oscura para un parche de cielo basado en el análisis de lentes gravitacionales de una encuesta de Kilo-Degree. Crédito: Kilo-Degree Survey Collaboration / H. Hildebrandt y B. Giblin / ESO.

Usando un nuevo marco matemático simple, el estudio muestra que la materia oscura puede haber sido producida antes del Big Bang durante una era conocida como la inflación cósmica cuando el espacio se estaba expandiendo muy rápidamente. Se cree que la rápida expansión conduce a la producción copiosa de ciertos tipos de partículas llamadas escalares. Hasta ahora, solo se ha descubierto una partícula escalar, el famoso bosón de Higgs. 

"No sabemos qué es la materia oscura, pero si tiene algo que ver con partículas escalares, puede ser más antigua que el Big Bang", explica Tenkanen. "Con el escenario matemático propuesto, no tenemos que asumir nuevos tipos de interacciones entre la materia visible y la materia oscura más allá de la gravedad, que ya sabemos que existe". 

Si bien la idea de que la materia oscura existía antes del Big Bang no es nueva, otros teóricos no han podido hacer cálculos que respalden la idea. El nuevo estudio muestra que los investigadores siempre han pasado por alto el escenario matemático más simple posible para los orígenes de la materia oscura, dice. 

El estudio también sugiere una forma de probar el origen de la materia oscura observando las firmas que deja la materia oscura en la distribución de la materia en el universo. 

"Si bien este tipo de materia oscura es demasiado difícil de encontrar en experimentos con partículas, puede revelar su presencia en observaciones astronómicas", dice Tenkanen. "Pronto aprenderemos más sobre el origen de la materia oscura cuando se lance el satélite Euclid en 2022. Será muy emocionante ver lo que revelará sobre la materia oscura y si sus hallazgos se pueden utilizar para alcanzar los tiempos anteriores al Big Bang." 

Fuente: Universidad Johns Hopkins,