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Cosa potrebbe aver impedito ai fotoni oscuri di scaldare il cosmo?
Junwu Huang e Mohamad Shalaby del Perimeter Institute, insieme ad Anson Hook dell'University of Maryland, hanno riesaminato il comportamento dei fotoni oscuri nell'universo primordiale. Le loro simulazioni, descritte su Physical Review Letters, indicano che il plasma caldo avrebbe interrotto quasi immediatamente il trasferimento di energia verso la luce ordinaria. Il risultato rimette quindi in discussione vincoli cosmologici applicati per circa quindici anni.
Il fotone oscuro è una particella ipotetica proposta in diversi modelli oltre il Modello Standard. In alcune configurazioni potrebbe costituire la materia oscura, la componente invisibile dedotta dai suoi effetti gravitazionali su galassie e ammassi. Lo studio non dimostra che questa particella esista: rivede invece il modo in cui avrebbe interagito con la materia ordinaria durante le prime fasi del cosmo.
Secondo il quadro convenzionale, i fotoni oscuri avrebbero potuto convertirsi in fotoni ordinari attraversando il plasma primordiale, formato da particelle elettricamente cariche. L'energia trasferita avrebbe riscaldato ulteriormente quel gas, lasciando conseguenze osservabili nell'evoluzione cosmica. Poiché tali tracce non sono state rilevate, ampie combinazioni di massa e intensità dell'interazione erano state considerate incompatibili con le misure disponibili.
Quel calcolo trattava però la conversione come un processo lineare e graduale. Le nuove simulazioni mostrano uno scenario diverso: appena una piccola quantità di energia entra nel plasma, la risposta del sistema diventa estremamente complessa. Le dinamiche non lineari del plasma finiscono così per sopprimere la conversione, quando soltanto una frazione minima dell'energia dei fotoni oscuri è passata alla componente ordinaria.
Per gli autori, il vincolo cosmologico tradizionale risulterebbe quindi inapplicabile lungo circa 10 ordini di grandezza nella massa. L'intervallo coinvolto si estende approssimativamente tra 10⁻¹⁵ e 10⁻⁶ eV, corrispondente a frequenze radio che vanno dai kilohertz ai gigahertz. Hook osserva inoltre che le esclusioni precedenti imponevano un'intensità dell'interazione fino a cento milioni di volte più debole di quanto consentirebbe la nuova analisi.
La revisione non equivale a una rilevazione, ma restituisce agli esperimenti una regione molto ampia nella quale cercare. Apparati sensibili alla conversione risonante o ad altri effetti prodotti da particelle ultraleggere potranno esplorare combinazioni di massa e interazione ritenute finora escluse. Un eventuale segnale dovrà comunque essere verificato indipendentemente e confrontato con possibili sorgenti ordinarie.
Le conseguenze teoriche potrebbero estendersi oltre i fotoni oscuri. Approssimazioni lineari vengono utilizzate anche per descrivere particelle ipotetiche in ambienti astrofisici estremi, comprese le magnetosfere delle stelle di neutroni e delle nane bianche. Secondo i ricercatori, includere correttamente gli effetti collettivi del plasma potrebbe modificare altri limiti astrofisici, ma ciascun sistema richiederà simulazioni specifiche prima di poter rivedere le esclusioni esistenti.
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