Enquanto os físicos continuam sua luta para encontrar e explicar a origem da matéria escura, aproximadamente 80% da matéria no universo que não podemos ver e até agora não conseguimos detectar, os pesquisadores agora propuseram um modelo em que ela é produzida antes do Big Bang.

A ideia deles é que a matéria escura seria produzida durante uma fase inflacionária infinitesimalmente curta, quando o tamanho do universo se expandiu rapidamente de forma exponencial. O novo modelo foi publicado na Physical Review Letters por três cientistas do Texas, nos EUA.

Uma ideia intrigante entre os cosmólogos é que a matéria escura foi produzida por meio de sua interação com um banho termal de algumas espécies, e sua abundância é criada por "congelamento" ou "congelamento". No cenário de congelamento, a matéria escura está em equilíbrio químico com o banho nos primeiros momentos — a concentração de cada um não muda com o tempo.

Na imagem congelada, a matéria escura nunca entra em equilíbrio com o banho. Tal interação suprimida entre a matéria escura e o banho térmico pode ser devido a interações em teorias quânticas de campo, seja congelamento infravermelho ou congelamento ultravioleta.

No congelamento UV, a temperatura do banho térmico é sempre menor do que as massas das partículas que conectam a matéria escura ao Modelo Padrão da física de partículas. (Massa e temperatura são proporcionais à energia e podem ser relacionadas por meio de constantes fundamentais.)

A teoria da inflação foi desenvolvida há cerca de 45 anos, propondo um período de expansão exponencialmente rápida no universo primordial, onde o universo se expandiu por um fator de cerca de 10 26 em 10 -36 segundos. (Depois que a inflação cessou, o universo continuou a se expandir, embora não exponencialmente.)

Bilhões de anos depois, a energia escura iniciou a aceleração que vemos hoje.) A ideia da inflação explica ordenadamente muitos enigmas na cosmologia, como o problema da planura, o problema da homogeneidade e o problema do monopolo, e explica a origem da estrutura no universo como flutuações quânticas que foram enormemente ampliadas.

Embora a inflação seja amplamente aceita pelos cosmólogos como parte do quadro do Big Bang com base em algumas evidências (embora haja divergências significativas), o fator que impulsiona a inflação ainda é desconhecido.

Os cosmólogos se referem a ele genericamente como ínflaton, um campo hipotético que abrange todo o espaço-tempo de alguma partícula escalar (spin zero), talvez o campo de Higgs. (Talvez não.) A inflação ocorre tão rapidamente que o universo está em uma expansão super-resfriada, onde a temperatura cai por um fator de aproximadamente 100.000.

Essa baixa temperatura persiste durante o estágio inflacionário. Quando a inflação termina, a temperatura retorna à temperatura pré-inflacionária, um processo chamado reaquecimento, e o campo de ínflaton decai nas partículas do Modelo Padrão, incluindo fótons.

Pesquisas mostraram que o banho pode atingir temperaturas muito mais altas do que a temperatura de reaquecimento e, no caso de congelamento ultravioleta, a quantidade de matéria escura produzida depende da temperatura mais alta do banho termal.

Mas pesquisas até o momento não consideraram a possibilidade de que uma quantidade significativa de matéria escura pudesse ser produzida durante a expansão inflacionária e não ser diluída.

No modelo WIFI do artigo — Warm Inflation via ultravioleta Freeze-In — a matéria escura é criada por meio de interações pequenas e raras com partículas em um ambiente quente e energético. Ele contém um novo mecanismo em que essa produção ocorre logo antes do Big Bang, durante a inflação cósmica, levando à formação da matéria escura muito antes do que nas teorias existentes via freeze-in.

Embora pareça incomum, muitos cosmólogos agora acreditam que a inflação aconteceu antes do Big Bang, já que a existência de uma singularidade do Big Bang com densidade infinita e curvatura infinita do espaço-tempo parece irreal.

Em vez disso, o universo teria um tamanho pequeno após a inflação, aproximadamente 10 -26 metros de diâmetro, e a partir daí as etapas padrão de radiação e produção de partículas ocorreriam, e então a nucleossíntese ocorreria para povoar o universo.

Os teóricos propuseram uma perspectiva diferente sobre o papel da inflação no papel da matéria escura por meio de um congelamento.

"O que é único em nosso modelo é que a matéria escura é produzida com sucesso durante a inflação", disse Katherine Freese, Diretora do Instituto Weinberg de Física Teórica e do Centro de Cosmologia e Física de Astropartículas do Texas na Universidade do Texas em Austin e autora principal do artigo. "Na maioria dos [outros] modelos, qualquer coisa que seja criada durante a inflação é então 'inflada' pela expansão exponencial do universo, a ponto de não sobrar essencialmente nada."

Neste novo mecanismo, toda a matéria escura que observamos hoje poderia ter sido criada durante aquele breve período de inflação pré-Big Bang. O campo quântico que impulsiona a inflação, o inflaton, perde parte de sua energia para a radiação, e esta radiação, por sua vez, produz partículas de matéria escura por meio do mecanismo de congelamento. O que havia antes da inflação? Os físicos não têm ideia.

O modelo WIFI ainda não pode ser confirmado por observações. Mas uma parte fundamental do cenário, a inflação quente, será testada na próxima década pelos chamados experimentos de fundo cósmico de micro-ondas. Confirmar a inflação quente seria um passo significativo para o cenário de produção de matéria escura do modelo WIFI.

"Em nosso estudo, focamos na produção de matéria escura , mas o WIFI sugere uma aplicabilidade mais ampla", disse Barmak Shams Es Haghi, coautor do artigo junto com Gabriele Montefalcone, "como a produção de outras partículas que podem desempenhar um papel crucial na evolução do universo inicial . Isso destaca novas oportunidades para exploração em pesquisas futuras."