Materia oscura fredda e pesante? Non è detto

Due ricercatori, Sandor Molnar della National Taiwan University a Taipei e Tom Broadhurst della University of the Basque Country a Bilbao hanno realizzato una simulazione numerica che spiega l’interazione tra due ammassi di galassie. I risultati, pubblicati su Astrophysical Journal, indicano che le velocità relative alla collisione sono decisamente più elevate rispetto a quelle attese dagli attuali modelli sulla materia oscura fredda e sembrano contraddire l’idea maggiormente accettata secondo la quale questa enigmatica componente sarebbe costituita da particelle pesanti.
Si è detto e scritto tanto sull’origine e la natura della materia oscura che rimane oggi uno dei misteri più profondi della fisica. Le osservazioni relative alla radiazione cosmica di fondo e alla struttura su larga scala implicano che la materia oscura sia 5 volte più abbondante della materia ordinaria. Inoltre, i dati suggeriscono che la materia oscura interagisce molto debolmente con i fotoni, gli elettroni e i protoni e che la sua origine deve essere di tipo non-barionico e quindi “non visibile”. Le osservazioni della struttura su larga scala e le simulazioni della formazione delle galassie indicano poi che la materia oscura deve essere “fredda”: in altre parole, le particelle che la compongono sono in grado di addensarsi su piccole scale.
Le simulazioni che descrivono la formazione delle strutture cosmiche con materia scura fredda sono generalmente più consistenti con le osservazioni della distribuzione delle galassie su larga scala. Quando vengono combinate con le simulazioni idrodinamiche che descrivono gli effetti della formazione stellare, le simulazioni riproducono le proprietà osservative delle galassie. Gli ammassi supermassicci di galassie sono laboratori ideali per studiare le proprietà della materia oscura. Gli ammassi di galassie sono le strutture più grandi che esistono nell’Universo. Si tratta di insiemi di centinaia di migliaia di galassie che sono trattenute insieme dalla gravità. In generale, gli ammassi di galassie crescono in termini di dimensione a seguito dei processi di fusione (merging) diventando sempre più grandi. Le forze dovute alla gravità tendono a farli fondere lentamente nel corso del tempo, nonostante l’espansione dell’Universo. Le osservazioni nella banda X dello spettro elettromagnetico permettono agli astronomi di tracciare direttamente la distribuzione della materia (barionica) ordinaria poiché la maggior parte degli atomi del gas presente negli ammassi sono ionizzati.
In particolare, il sistema di galassie noto come “El Gordo“, che è l’ammasso più grande di galassie che conosciamo, è il risultato della collisione di due grandi ammassi. Qui, è stato trovato che il processo d’interazione sta comprimendo il gas all’interno di ciascun ammasso portandolo ad alte temperature (100 milioni di gradi Kelvin) al punto tale che la sua emissione è visibile sotto forma di raggi X. In questa parte dello spettro X l’emissione del gas appare allungata, a forma di cometa, e si vedono due lunghe code che si dipartono dalle regioni nucleari più dense dei due ammassi di galassie. Questa configurazione caratteristica ha permesso agli autori di stabilire la che la velocità relativa della collisione è di circa 2200 Km/sec, un valore che si trova al limite di ciò che viene permesso dagli attuali modelli sulla materia oscura fredda.
Questi rari ed estremi esempi di ammassi colti in flagrante, ossia nella fase d’interazione, sembrano sfidare l’ipotesi più comunemente accettata che suggerisce che la materia oscura sia composta di particelle pesanti. Finora, però, nessuna di queste particelle è stata rivelata nonostante gli sforzi condotti dai fisici delle particelle con gli esperimenti eseguiti presso il Large Hadron Collider (LHC) di Ginevra e l’esperimento sotterraneo LUX (Large Underground Xenon Experiment) negli Stati Uniti. «La priorità è quella di formulare un nuovo modello che sia in grado di descrivere ancora meglio la materia oscura», spiega Broadhurst che è anche co-autore di un modello alternativo, pubblicato su Nature Physics lo scorso anno, in cui la materia oscura sarebbe composta da un condensato di Bose-Einstein non-relativistico, ipotesi introdotta per spiegare le proprietà osservative delle galassie nane.
Ad ogni modo, questo studio permette di interpretare dal punto di vista idrodinamico l’emissione del gas e la distribuzione di materia oscura presente nell’ammasso di galassie “El Gordo” con un modello numerico ad-hoc che include la materia oscura, che costituisce la maggior parte della massa del sistema, e l’emissione del gas nella banda X dello spettro elettromagnetico dato che la sua temperatura risulta estremamente elevata. La particolare soluzione numerica ottenuta da Molnar e Broadhurst permette di descrivere questa interazione tra gli ammassi e spiegare così la forma a cometa dell’emissione del gas caldo e la distribuzione finale della materia oscura a seguito dell’interazione avvenuta con una certa angolazione e alla velocità relativa di circa 2200 Km/sec. La conclusione a cui arrivano i due autori è che l’emissione totale dell’energia risulta molto più grande di quella di ogni altro fenomeno fisico conosciuto, ad eccezione di quella che ha caratterizzato il Big Bang.
«Le recenti scoperte di grandi ammassi di galassie in collisione, di cui ‘El Gordo’ rappresenta attualmente il sistema più grande e impressionante, fratello maggiore del ben noto ‘Bullet Cluster’, e’ molto interessante, in quanto pone domande inattese sul processo di formazione delle strutture cosmologiche e sulle proprietà della materia oscura», spiega a Media INAF Nicolao Fornengo del Dipartimento di Fisica dell’Università di Torino e INFN. «Il lavoro di Molnar e Broadhurst, basato su un dettagliato studio idrodinamico del comportamento della materia oscura e del gas contenuto nelle parti collidenti, sembra confermare che ‘El Gordo’ sia in una fase iniziale del suo processo di collisione, con componenti dotate di velocità molto alte, superiori a quelle che ci si attenderebbe sulla base dei modelli attuali. Altri autori, basandosi su analisi differenti, propongono interpretazioni più conservative. Resta il fatto che l’osservazione di questi straordinari sistemi in interazione stia offrendo opportunità uniche per lo studio della materia oscura e delle sue proprietà».
di Corrado Ruscica (INAF)

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