Gli astronomi hanno proposto un nuovo modello per il materiale invisibile che costituisce la maggior parte della materia nell'Universo. Hanno studiato se una frazione di particelle di materia oscura può avere una piccola carica elettrica.

"Avete sentito parlare di auto elettriche ed e-book, ma ora stiamo parlando di materia oscura elettrica, ", ha affermato Julian Munoz dell'Università di Harvard a Cambridge, Messa., che ha condotto lo studio che è stato pubblicato sulla rivista Natura . "Però, questa carica elettrica è sulla scala più piccola."

Munoz e il suo collaboratore, Avi Loeb dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) di Cambridge, Messa., esplorare la possibilità che queste particelle cariche di materia oscura interagiscano con la materia normale mediante la forza elettromagnetica.

Il loro nuovo lavoro combacia con un risultato recentemente annunciato dalla collaborazione Experiment to Detect the Global EoR (Epoch of Reionization) Signature (EDGES). A febbraio, gli scienziati di questo progetto hanno affermato di aver rilevato la firma radio dalla prima generazione di stelle, e possibili prove di interazione tra materia oscura e materia normale. Alcuni astronomi hanno rapidamente contestato l'affermazione di EDGES. Nel frattempo, Munoz e Loeb stavano già esaminando le basi teoriche che ne stavano alla base.

"Siamo in grado di raccontare una storia fondamentale della fisica con la nostra ricerca, indipendentemente da come si interpreta il risultato di EDGES, " ha detto Loeb, chi è il presidente del dipartimento di astronomia di Harvard. "La natura della materia oscura è uno dei più grandi misteri della scienza e dobbiamo utilizzare tutti i nuovi dati correlati per affrontarlo".

La storia inizia con le prime stelle, che emetteva luce ultravioletta (UV). Secondo lo scenario comunemente accettato, questa luce UV interagiva con atomi di idrogeno freddo nel gas che giaceva tra le stelle e consentiva loro di assorbire la radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB), la radiazione residua del Big Bang.

Questo assorbimento avrebbe dovuto portare a un calo di intensità del CMB durante questo periodo, che si verifica meno di 200 milioni di anni dopo il Big Bang. Il team EDGES ha affermato di rilevare prove per questo assorbimento della luce CMB, anche se questo deve ancora essere verificato in modo indipendente da altri scienziati. Però, la temperatura del gas idrogeno nei dati EDGES è circa la metà del valore atteso.

"Se EDGES ha rilevato gas idrogeno più freddo del previsto durante questo periodo, cosa potrebbe spiegarlo?" disse Munoz. "Una possibilità è che l'idrogeno sia stato raffreddato dalla materia oscura."

Nel momento in cui la radiazione CMB viene assorbita, gli eventuali elettroni o protoni liberi associati alla materia ordinaria si sarebbero mossi alle velocità più basse possibili (poiché in seguito furono riscaldati dai raggi X dei primi buchi neri). La dispersione delle particelle cariche è più efficace alle basse velocità. Perciò, qualsiasi interazione tra materia normale e materia oscura durante questo periodo sarebbe stata la più forte se alcune delle particelle di materia oscura fossero state cariche. Questa interazione farebbe raffreddare il gas idrogeno perché la materia oscura è fredda, potenzialmente lasciando una firma osservativa come quella rivendicata dal progetto EDGES.

"Stiamo limitando la possibilità che le particelle di materia oscura portino una minuscola carica elettrica - pari a un milionesimo di quella di un elettrone - attraverso segnali misurabili dall'alba cosmica, " ha detto Loeb. "Queste piccole cariche sono impossibili da osservare anche con i più grandi acceleratori di particelle".

Solo piccole quantità di materia oscura con una debole carica elettrica possono sia spiegare i dati EDGES che evitare disaccordi con altre osservazioni. Se la maggior parte della materia oscura è carica, allora queste particelle sarebbero state deviate lontano dalle regioni vicine al disco della nostra Galassia, e impedito di rientrare. Ciò è in conflitto con le osservazioni che mostrano che grandi quantità di materia oscura si trovano vicino al disco della Via Lattea.

Gli scienziati sanno dalle osservazioni del CMB che i protoni e gli elettroni si sono combinati nell'Universo primordiale per formare atomi neutri. Solo una piccola frazione di queste particelle cariche, circa uno su poche migliaia, rimasto libero. Munoz e Loeb stanno considerando la possibilità che la materia oscura possa aver agito in modo simile. I dati di EDGES, e simili esperimenti, potrebbe essere l'unico modo per rilevare le poche particelle cariche rimaste, poiché la maggior parte della materia oscura sarebbe neutra.

"Lo spazio dei parametri praticabile per questo scenario è piuttosto limitato, ma se confermato da osservazioni future, ovviamente impareremmo qualcosa di fondamentale sulla natura della materia oscura, uno dei più grandi enigmi che abbiamo oggi in fisica, ", ha detto Cora Dvorkin di Harvard che non è stata coinvolta nel nuovo studio.

Lincoln Greenhill, anch'egli del CfA, sta attualmente testando l'affermazione osservativa del team EDGES. Dirige il progetto Large Aperture Experiment to Detect the Dark Ages (LEDA), che utilizza il Long Wavelength Array nella Owen's Valley California e Socorro, Nuovo Messico.

Un documento che descrive questi risultati appare nel 31 maggio, Numero 2018 della rivista Natura .