La materia oscura podría no haber sido ‘fría’ en los primeros instantes tras el Big Bang, como se creía hasta ahora. Una nueva investigación de la Universidad de Minnesota Twin Cities y la Université Paris-Saclay sugiere que las partículas de materia oscura podrían haber sido increíblemente calientes, viajando a velocidades cercanas a la de la luz en el cosmos primordial, antes de enfriarse a tiempo para sembrar la formación de galaxias y estructuras a gran escala.
Durante décadas, los físicos han clasificado la materia oscura según la velocidad de sus partículas constituyentes, considerando que la materia oscura ‘fría’ es lo suficientemente lenta como para agruparse bajo la gravedad y ayudar a dar forma a las galaxias y cúmulos de galaxias.
Este modelo ha sido fundamental en el marco cosmológico estándar, explicando la estructura similar a una red del Universo.
Sin embargo, los nuevos hallazgos sugieren que la materia oscura podría haberse desacoplado del plasma caliente del Universo temprano mientras aún era ultrarelativista –es decir, a velocidades extremadamente altas– y luego haberse enfriado lo suficiente antes de que se formaran las estructuras cósmicas.
Esta visión más matizada amplía el rango de posibles comportamientos para las partículas de materia oscura y abre el espectro de candidatos que los físicos podrían investigar en experimentos y observaciones astronómicas.
El estudio se centra en un período en el cosmos temprano conocido como ‘recalentamiento’, que siguió a la expansión explosiva del Universo llamada inflación.
Durante el recalentamiento post-inflacionario, la energía que impulsaba la expansión se convirtió en una sopa caliente de partículas y radiación.
Los hallazgos indican que, bajo ciertas condiciones, la materia oscura producida en ese momento podría comenzar su existencia a velocidades cercanas a la de la luz, pero aún así ajustarse al Universo a gran escala que observamos hoy.
De ser correctos, estos hallazgos podrían tener profundas implicaciones para los esfuerzos en curso para detectar la materia oscura, ya sea a través de colisionadores de partículas, detectores subterráneos u observaciones astrofísicas.
También plantean nuevas preguntas teóricas sobre las propiedades fundamentales de la materia oscura y su papel en la evolución cósmica.
“La materia oscura es notoriamente enigmática”, afirma Stephen Henrich, estudiante de posgrado en la Universidad de Minnesota.
“Una de las pocas cosas que sabemos sobre ella es que necesita ser fría.”
“Como resultado, durante las últimas cuatro décadas, la mayoría de los investigadores han creído que la materia oscura debe ser fría cuando nace en el Universo primordial.”
“Nuestros resultados recientes muestran que este no es el caso; de hecho, la materia oscura puede estar muy caliente cuando nace, pero aún tener tiempo de enfriarse antes de que comiencen a formarse las galaxias.”
“El candidato más simple para la materia oscura –un neutrino de baja masa– fue descartado hace más de 40 años, ya que habría destruido las estructuras del tamaño de las galaxias en lugar de sembrarlas”, explica el profesor Keith Olive, de la Universidad de Minnesota.
“El neutrino se convirtió en el principal ejemplo de materia oscura caliente, donde la formación de estructuras depende de la materia oscura fría.”
“Es sorprendente que un candidato similar, si se produjera justo cuando se estaba creando el Universo del Big Bang caliente, pudiera enfriarse hasta el punto de actuar como materia oscura fría.”
“Con nuestros nuevos hallazgos, podríamos ser capaces de acceder a un período en la historia del Universo muy cercano al Big Bang”, señala el profesor Yann Mambrini, físico de la Université Paris-Saclay.
El trabajo del equipo aparece en la revista Physical Review Letters: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/zk9k-nbpj.
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Stephen E. Henrich et al. 2025. Ultrarelativistic Freeze-Out: A Bridge from WIMPs to FIMPs. Phys. Rev. Lett 135, 221002; doi: 10.1103/zk9k-nbpj
