Tommi Tenkanen estudia l’origen de la matèria fosca a partir de fluctuacions de camp escalar durant la inflació còsmica

Cosmologia: Tommi Tenkanen és doctor en física teòrica per la Universitat de Helsinki. Actualment, és investigador postdoctoral al Departament de Física i Astronomia de la Johns Hopkins University, a Baltimore (Maryland). És autor de “Pimeän aineen arvoitus”, un volum dedicat a la matèria fosca, és a dir la fracció de la matèria gravitatòria de l’univers que no interactua (emetent-ne o absorbint-ne) amb la radiació electromagnètica. La matèria fosca (o encara més ben dit, invisible) fou postulada per explicar la dinàmica de galàxies, per a la qual era insuficient el còmput de massa basat en estels i en nebuloses interestel·lars. Vora el 85% de la matèria gravitatòria seria matèria fosca, encara que cal afegir la matèria gravitatòria suposa tan sols vora un terç de l’energia agregada de l’univers. La natura de la matèria fosca és objecte d’intens debat, així com la seva distribució a diferents escales espacials i temporals, incloent-hi la qüestió del seu origen. A les seves publicacions, Tenkanen prova d’oferir respostes a aquestes qüestions. Ha tingut especial ressò aquesta setmana un article seu, titulat “Dark matter from scalar field fluctuations”, que tot just ha estat acceptat per a publicació per Physical Review Letters. El punt de partida és l’assumpció que la matèria fosca pot haver-se originat en la inflació còsmica, bé abans o durant els moments immediatament posteriors al Big Bang. Tenkanen, en aquest article, considera una àmplia classe d’escenaris on un camp escalar lliure massiu arriba inevitablement a un equilibri entre les seus dinàmiques clàssica i quàntica amb una escala temporal característica durant la inflació i que originaria la densitat de matèria fosca de l’univers ulterior. Les fluctuacions de camp escalar determinarien l’abundància i l’espectre de pertorbacions de la matèria fosca. Els escenaris considerats per Tenkanen prediuen de manera general una marcada formació d’estructures que explicarien per què aquest tipus de matèria tan sols interactua gravitatòriament.

Esquema de l’expansió de l’univers. Els primers moments ulteriors al Big Bang, queden marcats per fluctuacions quàntiques i la inflació còsmica. L’evolució ulterior de l’univers és determinada sobretot pel balanç entre la matèria fosca (que promou gravitatòriament la formació d’estels i galàxies) i l’energia fosca (que promou una acceleració de l’expansió de l’univers)

L’origen de la matèria fosca

Una de les possibilitats a considerar sobre l’origen de la matèria fosca és que aquest es trobi en etapes anteriors al Big Bang. D’acord amb el model cosmològic estàndard, el Big Bang és l’origen del temps, de manera que parlar d’etapes anteriors és apartar-s’hi. Una altra possibilitat és que la matèria fosca hagi estat produïda durant el Big Bang a través de la desintegració o l’anihilació de partícules. També pot haver sorgit la quantitat de matèria fosca actual d’un desequilibri promogut durant la inflació còsmica (entre 10-36 s i 10-32 s després del Big Bang). Aquests diferents mecanismes només poden ésser vàlids si condueixen a un resultat coincident amb la quantitat i distribució de matèria fosca que indiquen les nostres observacions, i particularment han d’ajustar-se a les dades que ens ofereix la radiació còsmica de fons de microones.

Tenkanen, en el seu darrer article, considera la possibilitat que la matèria fosca resideixi en un sector amagat que també contingui un camp escalar. Els camps escalars són un element habitual de les extensions del model cosmològic estàndard. La dinàmica dels camps escalars durant la inflació hauria d’aportar les condicions inicials genèriques de la producció no-tèrmica de matèria fosca després de la inflació, o bé els mateixos camps escalars haurien de constituir totalment o parcialment l’abundància observada de matèria fosca.

Concretament, Tenkanen contempla escenaris on el camp escalar que actua com a matèria fosca (o que l’origina) és un camp lliure massiu que assoleix un equilibri durant la inflació entre la deriva clàssica i les fluctuacions quàntiques estocàstiques.

Un camp escalar

En l’escenari més simple, Tenkanen contempla un camp escalar desacoblat amb la radiació i tan sols mínimament acoblat amb la gravetat. Aquest camp escalar no hauria estat el motor de la inflació còsmica, sinó que durant aquest període hauria tingut una posició energèticament subalterna. Així doncs, hauria estat el camp responsable de la inflació i no el camp de la matèria fosca els que hauria generat la pertorbació inicial en la curvatura de l’univers i el que l’hauria reescalfat després de la inflació.

Només al final de la inflació, hi hauria hagut un condensat escalar efectiu amb una densitat energètica efectiva. El corresponent espectre de fluctuacions hauria aportat les condicions inicials de la dinàmica post-inflacionària de l’univers.

El camp escalar hauria de complir les limitacions cosmològiques imposades per la dinàmica inflacionària. També hauria de complir un escenari post-inflacionari on l’univers és dominat per la radiació (època fotònica).

En l’era post-inflacionària, aquest camp escalar actuaria efectivament com un component de la matèria fosca freda (freda en el sentit de posseir velocitats no-relativístiques) suficient per explicar el component fosc de la matèria gravitatòria del nostre univers.

Les fluctuacions en el camp escalar local, en ésser desacoblades de la radiació, generen pertorbacions entre la matèria fosca i les densitats d’energia radiant.

Tenkanen també contempla escenaris on el camp escalar també genera una porció de matèria fosca calenta (és a dir, que es desplaça amb velocitats relativístiques).

El model més simple de Tenkanen descarta qualsevol autointeractivitat notable de la matèria fosca. Així doncs, si en el futur hom observa autointeraccions de la matèria fosca, caldria recórrer a escenaris més complexos.

Lligams:

Dark Matter from Scalar Field Fluctuations . Tommi Tenkanen. Phys. Rev. Lett. 123: 061302 (2019).

Aquesta entrada ha esta publicada en 1. L'Univers. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada