E se la materia oscura fosse fatta di buchi neri?

La materia oscura è una delle componenti dell’Universo ancora avvolta dal mistero. Una delle ipotesi più accreditate è che si tratti di una forma esotica di particella dotata di massa, ma incapace di manifestarsi emettendo luce. Un’altra ipotesi è che la materia oscura sia composta da buchi neri primordiali, ovvero quelli che si sono formati nei primi istanti di vita dell’Universo. Uno scienziato del Goddard Space Flight Center della NASA suggerisce, in uno studio appena pubblicato su ApJ, che la seconda interpretazione sia coerente con le nostre conoscenze relative al fondo cosmico infrarosso e nei raggi X, e possa essere confermata – come ipotizzato anche da almeno un altro recente lavoro, del quale abbiamo parlato la scorsa settimana su Media INAF – dalla fusione di buchi neri inaspettatamente massicci come quella rilevata lo scorso anno dagli interferometri di LIGO. «Questo studio nasce dallo sforzo d’unificare una vasta gamma di idee e osservazioni per testare quanto bene si incastrano tra loro, e la concordanza è sorprendente», dice Alexander Kashlinsky, l’autore dello studio. «Se le mie supposizioni sono corrette, allora tutte le galassie, inclusa la nostra, si trovano immerse all’interno di una sfera di buchi neri ciascuno di circa 30 volte la massa del Sole». Nel 2005 Kashlinsky ha guidato un team di astronomi che ha utilizzato i dati provenienti dal telescopio spaziale Spitzer della NASA per studiare in dettaglio la luce infrarossa di fondo presente in una specifica regione di cielo. I ricercatori hanno riportato un eccesso di variabilità nell’emissione infrarossa, e hanno proposto che potesse essere causato dalla luce prodotta dalle prime sorgenti che si sono accese nell’Universo, più di 13 miliardi di anni fa. Studi successivi, condotti dal gruppo di ricercatori guidato da Kashlinsky, hanno confermato che il fondo cosmico ad infrarossi (Cosmic Infrared Background, CIB) mostra strutture simili anche in altre parti del cielo. Nel 2013 uno studio dello stesso team ha messo a confronto il CIB e il fondo cosmico a raggi X (Cosmic X-ray Background, CXB) rilevato dall’osservatorio spaziale Chandra nelle stesse regioni di cielo. Le prime stelle dovrebbero aver emesso principalmente luce ottica e ultravioletta, che arriverebbe oggi a noi nella banda infrarossa a causa dell’espansione del tessuto spazio-temporale, quindi non dovrebbero contribuire in maniera significativa al CXB. Eppure le variazioni di luminosità nei raggi X a bassa energia combaciano piuttosto bene con quelle del CIB. L’unica tipologia di oggetti che conosciamo in grado di emettere luce a quei livelli di energia sono i buchi neri. Il team ha dunque concluso che l’emissione fosse dovuta per almeno un quinto del contributo totale dei buchi neri primordiali di grossa taglia. La natura della materia oscura è uno dei problemi irrisolti di maggiore portata nel campo dell’astrofisica. La comunità scientifica favorisce gli scenari teorici che spiegano questa sfuggevole componente come una particella massiccia esotica e ancora sconosciuta, ma le ricerche condotte fino ad ora non sono riuscite a trovare prove dell’esistenza di queste particelle. «Gli studi condotti fino ad ora stanno fornendo risultati sempre più precisi, riducendo di volta in volta gli intervalli entro cui possono muoversi i parametri che descrivono le particelle di materia oscura», spiega Kashlinsky. «Il fallimento di queste ricerche ha rinnovato l’interesse verso lo studio di come i buchi neri primordiali, quelli che si sono formati nei primi istanti di vita dell’Universo, potrebbero spiegare l’esistenza di materia oscura». I ricercatori hanno sviluppato diverse ipotesi per giustificare la formazione di buchi neri primordiali nell’Universo in rapida espansione dei primi millesimi di secondo successivi al Big Bang. Più è vecchio l’Universo quando questi meccanismi di innescano, più possono essere grandi i buchi neri, e poiché la finestra della loro creazione è molto breve, gli scienziati prevedono una gamma ristretta di masse possibili. Il 14 settembre scorso i due interferometri del progetto LIGO hanno rilevato per la prima volta nella storia l’emissione di onde gravitazionali da parte di una coppia di buchi neri che si sono fusi tra loro a 1.3 miliardi di anni luce di distanza dalla Terra. Questo evento ha rappresentato non solo la prima misura di onde gravitazionali, ma anche la prima osservazione diretta di due buchi neri. Il segnale raccolto ha permesso agli scienziati di stimare le masse dei singoli buchi neri, che sono risultate pari a 29 e 36 volte quella del Sole. L’aspetto più sorprendente di questo risultato è che le due masse dei buchi neri sono inaspettatamente grandi e simili tra loro. «A seconda del meccanismo in gioco, i buchi neri primordiali possono avere proprietà molto simili a quelli rilevati da LIGO», dice Kashlinsky. «Se assumiamo che lo siano, e che quindi LIGO abbia catturato la fusione di due oggetti che si sono formati nell’Universo primordiale, possiamo avanzare delle ipotesi sulle conseguenze che questa scoperta ha sulla nostra comprensione dell’evoluzione del cosmo». Nel suo articolo su The Astrophysical Journal Letters, Kashlinsky analizza cosa succederebbe se la materia oscura fosse costituita da una popolazione di buchi neri simili a quelli rilevati da LIGO. I buchi neri sono in grado di distorcere la distribuzione di massa dell’Universo primordiale, aggiungendo una piccola fluttuazione, che potrebbe aver avuto conseguenze centinaia di milioni di anni più tardi, quando hanno iniziato a formarsi le prime stelle. Per gran parte dei primi 500 milioni di anni di vita dell’Universo la materia ordinaria era troppo calda per potersi addensare in stelle. La materia oscura, invece, non dovrebbe essere stata influenzata dalla temperatura, perché, qualunque sia la sua natura, interagisce principalmente attraverso la gravità. L’aggregazione per attrazione reciproca avrebbe fatto inizialmente collassare la materia oscura in addensamenti chiamati “mini aloni”, che avrebbero fornito il seme gravitazionale in grado di innescare l’accumulo di materia ordinaria. Il gas caldo sarebbe caduto verso i mini aloni, creando sacche di gas abbastanza denso da collassare formando le prime stelle. Nel suo studio Kashlinsky mostra che se i buchi neri hanno ricoperto il ruolo della materia oscura, questo processo è avvenuto più rapidamente ed efficacemente, dando vita agli addensamenti osservati nel CIB da Spitzer, e che questo rimane vero anche se solo una piccola frazione di mini aloni è riuscita a contribuire alla produzione di stelle. Con la caduta di gas verso i mini aloni, una parte sarebbe catturata anche dai buchi neri. La materia che cade verso un buco nero si riscalda ed emette luce nella banda dei raggi X. La luce infrarossa emessa dalle prime stelle e i raggi X prodotti dal gas in caduta potrebbero spiegare l’accordo osservato tra le variabilità del CIB e del CXB. Potrebbe succedere che alcuni buchi neri primordiali passino abbastanza vicino uno all’altro da catturarsi gravitazionalmente e formare sistemi binari. Questo tipo di sistemi emetterebbe radiazione gravitazionale, e finirebbe per spiraleggiare verso il centro perdendo energia orbitale e culminando nella fusione in un buco nero più grande, proprio come abbiamo osservato nell’evento LIGO dello scorso settembre. «Le prossime osservazioni di LIGO ci daranno molte più informazioni sulla popolazione di buchi neri binari, e non passerà molto tempo prima di poter verificare se lo scenario ipotizzato sia valido oppure no», conclude Kashlinsky.
di Elisa Nichelli (INAF)

E se la materia oscura fosse pesante?

La materia oscura è ovunque attorno a noi. Sebbene nessuno l’abbia mai vista e non si sappia cosa sia realmente, è indiscutibile che ci sia e che costituisca circa il 27% dell’Universo in cui viviamo. Per confronto, solo il 5% del contenuto dell’Universo corrisponde alla materia che conosciamo, dal singolo atomo alla più grande galassia. Da molti anni i ricercatori stanno cercando di rilevare questa sfuggevole componente, fatta di materia invisibile ai nostri occhi. Svariati dispositivi sono stati realizzati e distribuiti sulla Terra e nello spazio allo scopo di catturare le particelle che riteniamo possano costituire la materia oscura, e alcuni esperimenti hanno cercato di creare queste particelle facendo collidere tra loro altre particelle di materia ordinaria. Anche se questo tipo di esperimenti dovesse avere successo, potremmo non essere in grado di rilevare direttamente la materia oscura. Potrebbe crearsi e sparire dai rivelatori, portando però con sé un po’ di energia in eccesso, che potrebbe essere misurata e indicare in maniera indiretta che è stata effettivamente prodotta una particella di materia oscura. Nonostante questi sforzi, non è ancora stato possibile rilevare alcuna particella oscura. «Forse perché abbiamo cercato le particelle di materia oscura in un modo che non ci permetterà mai di rivelarle», dice Martin Sloth, professore associato presso il Centre for Cosmology and Particle Physics Phenomenology (CP3-Origins) della University of Southern Denmark. Sloth, insieme ai due ricercatori postdoc Sandora McCullen di CP3-Origins e Mathias Garny del CERN, ha presentato un nuovo modello per spiegare la natura della materia oscura, che è stato pubblicato pochi giorni fa sulla rivista Physical Review Letters. Da sempre i fisici basano i loro studi sul fatto che la materia oscura sia molto leggera e interagisca debolmente con la materia ordinaria. Secondo la teoria più accreditata, infatti, le particelle di materia oscura sono particelle dotate di massa e debolmente interagenti (in inglese “weakly-interacting massive particle”, o WIMP), e dovrebbero essere state create in grandi quantità poco dopo la nascita dell’Universo, avvenuta circa 13.7 miliardi di anni fa. «Dal momento, però, che nessun esperimento è riuscito a raccogliere alcuna evidenza osservativa di queste WIMP, la soluzione dell’enigma potrebbe essere che dobbiamo andare a cercare particelle più pesanti che interagiscono unicamente attraverso la gravità, e dunque impossibili da rilevare direttamente», spiega Sloth. Per questo motivo Sloth e i suoi colleghi propongono la loro versione di una particella molto massiccia, che chiamano PIDM, che sta per Planck Interacting Dark Matter, ovvero particelle che interagiscono sulla scala di Planck. Nel loro modello hanno valutato come si sarebbero potute creare particelle di tipo PIDM nell’Universo primordiale. «Sarebbe possibile se l’Universo fosse stato estremamente caldo. Per essere più precisi, le temperature dell’Universo primordiale dovrebbero essere le più alte possibili secondo la teoria del Big Bang», dice Sloth. L’aspetto interessante di questa teoria è che può essere sottoposta a test, e dunque verificata o falsificata. «Se l’Universo fosse stato davvero così caldo, avrebbe generato nelle sue prime fasi di vita grandi quantità di onde gravitazionali, che potremmo rilevare nel prossimo futuro». Con questa affermazione Sloth fa riferimento a una serie di esperimenti pianificati in tutto il mondo, che saranno in grado di rilevare segnali di onde gravitazionali provenienti dalle regioni più remote dell’Universo. «Se questi esperimenti non cattureranno questo tipo di segnale, allora il nostro modello verrà falsificato. Pertanto le onde gravitazionali possono essere utilizzate per testare il modello che prevede le PIDM», aggiunge Sloth. Esistono più di dieci esperimenti pianificati, che mirano a misurare la polarizzazione della radiazione cosmica di fondo, sia da Terra che con strumenti inviati in atmosfera o su satelliti. Nei prossimi anni potremo quindi cercare conferma di questa nuova teoria.
di Elisa Nichelli (INAF)

Una materia oscura meno esotica?

La materia oscura si comporterebbe in maniera simile alle particelle subatomiche note ai fisici sin dagli anni ’30. È quanto emerge da uno studio condotto da un gruppo internazionale di ricercatori secondo cui l’enigmatica componente che rappresenta il 25 percento del contenuto materia-energia dell’Universo sarebbe molto simile ai pioni che tengono insieme i nuclei atomici. I risultati di questo studio sono pubblicati su Physical Review Letters. Dobbiamo molto alla materia oscura, quell’entità misteriosa che mantiene intatte le galassie, le stelle, il Sistema solare e persino i nostri corpi. Tuttavia, nessuno finora è stato in grado di osservarla direttamente ed essa viene spesso considerata come una nuova forma di materia esotica, ossia come una particella che si muove nelle dimensioni extra dello spazio o della sua versione quantistica, la supersimmetria. «Abbiamo già osservato nel passato questo tipo di particella. Crediamo che la materia oscura abbia proprietà analoghe, tipo di massa e interazione forte», spiega Hitoshi Murayama, professore di fisica all’Università della California, a Berkeley, e direttore del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe all’Università di Tokyo. «E’ incredibilmente eccitante il fatto che ora possiamo finalmente comprendere il perché della nostra esistenza». Queste particelle candidate vengono chiamate SIMPs (Strongly Interacting Massive Particles). La teoria predice che la materia oscura interagisca molto probabilmente con se stessa all’interno delle galassie o degli ammassi, modificando possibilmente le distribuzioni di massa attese. «La teoria potrebbe risolvere le attuali discrepanze tra i dati e le simulazioni numeriche», dice Eric Kuflik, un ricercatore alla Cornell University. «Le differenze cruciali che troviamo in queste nuove teorie sulla materia oscura e quelle precedenti hanno delle implicazioni profonde su come potrà essere rivelata la materia oscura con i prossimi esperimenti», aggiunge Yonit Hochberg, ricercatore presso l’Università della California a Berkeley. Dunque, il passo successivo sarà ora quello di verificare questa ipotesi nella maniera più adeguata, utilizzando il Large Hadron Collider (LHC) e i prossimi esperimenti quali SuperKEK-B e SHiP.
di Corrado Ruscica (INAF)

Giorni contati per la materia oscura?

Per la materia oscura potrebbe essere davvero difficile continuare a giocare a nascondino. Oggi, un gruppo internazionale di ricercatori ha pubblicato i primi dati relativi ad una nuova mappa della distribuzione spaziale della materia oscura grazie ai dati ottenuta dalla Dark Energy Survey (DES). I risultati, pubblicati su Physical Review Letters, suggeriscono che la relazione tra la mappa della distribuzione visiva delle galassie e quella relativa alla distribuzione della massa è molto vicina a quella predetta dai modelli basati sulle simulazioni cosmologiche che includono l’espansione accelerata dell’Universo. La caccia alla materia oscura non ha tregua. Di recente abbiamo già scritto su queste pagine del progetto VST KiDS e dei primi risultati basati su osservazioni effettuate nell’emisfero sud grazie al VLT Survey Telescope (VST), il telescopio a grande campo di vista realizzato dall’INAF – Osservatorio Astronomico di Capodimonte, e installato accanto al Very Large Telescope dell’ESO, presso l’Osservatorio del Paranal in Cile (vedasi KIDS per materia oscura). La Kilo Degree Survey permetterà, infatti, di realizzare misure accurate della materia oscura, della struttura degli aloni delle galassie ottenendo così nuovi indizi sull’evoluzione e formazione delle galassie stesse e degli ammassi in cui esse risiedono. Ma torniamo alla DES, attualmente in corso al telescopio Blanco situato in Cile. Si tratta di una survey cosmologica che è stata concepita per osservare circa 1/8 del cielo visibile. Lo scopo principale della survey è quello di caratterizzare meglio la natura dell’energia oscura, quell’enigmatica componente che pare sia responsabile dell’espansione accelerata dell’Universo. Queste mappe, realizzate con una delle più potenti macchine fotografiche digitali al mondo, costituiscono il più importante progetto di mappatura contigua, con un livello di dettaglio che promette di migliorare significativamente la nostra comprensione del processo di formazione galattica e il ruolo che la materia oscura ricopre (vedasi La materia oscura, in pianta). Ora, uno dei modi di far questo è quello di studiare la distribuzione e l’evoluzione della materia oscura. Gli scienziati stimano che la materia ordinaria costituisca solo 1/5 della massa totale presente nell’Universo, il resto è proprio “oscuro”, un termine appropriato poiché questa sostanza non assorbe o emette luce. «Gli scienziati hanno bisogno di ricorrere a misure molto precise della distribuzione spaziale di tutta la materia presente nell’Universo in modo da realizzare esperimenti accurati», spiega Vinu Vikraman, ricercatore post-doc presso lo US Department of Energy’s Argonne National Laboratory e co-autore dello studio. «Non sappiamo che cosa sia realmente la materia oscura nè siamo in grado di localizzarla direttamente. Questa mappa rappresenterà uno strumento di fondamentale importanza per la cosmologia in quanto permetterà di dare una serie di risposte a queste domande, tra cui quelle che riguardano appunto l’origine e la natura dell’energia oscura». Per rivelare indirettamente la materia oscura, gli scienziati hanno escogitato un metodo che si basa sulla costruzione di una mappa della distribuzione della massa ottenuta da DES attraverso una serie di misure ricavate analizzando l’effetto debole della lente gravitazionale o weak lensing. Si tratta di un fenomeno previsto dalla relatività generale in cui i raggi luminosi provenienti da oggetti distanti vengono deviati dalla distribuzione della materia che circonda le galassie. Questo effetto crea una distorsione o deformazione dell’immagine di una galassia che gli astronomi possono misurare per determinare come è distribuita la materia dell’oggetto che funge da lente gravitazionale. I ricercatori hanno quindi confrontato la mappa ottenuta dalla distribuzione della massa con una nuova mappa ottica della distribuzione delle galassie ricavata sempre dalla survey DES. Questa informazione ha permesso agli studiosi di cercare eventuali schemi presenti nella distribuzione sia delle galassie che della materia oscura. «Ciò ha permesso di controllare la consistenza del nostro lavoro dato che ci aspettiamo che la distribuzione delle galassie segua quella della materia oscura», dice Vikraman. Questi risultati preliminari, infatti, suggeriscono che la relazione tra la mappa della distribuzione visiva delle galassie e quella relativa alla distribuzione della massa è molto vicina a quella predetta dai modelli basati sulle simulazioni cosmologiche che includono l’espansione accelerata dell’Universo. Ricordiamo, infine, che la survey DES è stata progettata per coprire una regione di cielo pari a più di 36 volte l’area ottenuta da questa prima mappa. Si spera, quindi, che questo nuovo insieme di dati potrà fornire in futuro preziosi indizi per comprendere ancora meglio la natura dell’energia oscura.
di Corrado Ruscica (INAF)

Un ponte di materia oscura tra il Gruppo Locale e l’Ammasso della Vergine

Utilizzando i migliori dati disponibili per il monitoraggio del traffico galattico, Noam Libeskind del Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP) e i suoi collaboratori hanno costruito una mappa dettagliata del moto delle galassie nei nostri dintorni. Nella loro ricerca hanno scoperto un ponte di materia oscura che si estende dal nostro Gruppo Locale fino all’ammasso della Vergine, un enorme ammasso contenente circa 2.000 galassie a 50 milioni di anni luce da noi. Il ponte di materia oscura sembrerebbe essere legato ai due estremi da grandi bolle completamente prive di galassie. Questo ponte e questi vuoti ci aiutano a chiarire un problema di almeno 40 anni che riguarda la curiosa distribuzione delle galassie nane. Le galassie nane si trovano spesso in orbita attorno a massicci “padroni di casa”, come ad esempio la nostra Via Lattea. Dal momento che la loro luminosità è debole, sono difficili da individuare, perciò quelle che osserviamo si trovano quasi esclusivamente nel nostro  vicinato cosmico. Un aspetto particolarmente affascinante della loro esistenza è che nei pressi della Via Lattea e di almeno due dei nostri vicini più prossimi (le galassie Andromeda e Centaurus A) queste galassie satelliti non si muovono lungo traiettorie casuali, ma mostrano orbite ampie e piatte. Tali strutture non sono dunque il semplice risultato del modello di materia oscura fredda, ritenuto dalla maggior parte dei cosmologi il responsabile della formazione di galassie nell’universo. Secondo il modello di materia oscura fredda, infatti, le galassie nane dovrebbero disporsi lungo orbite casuali. Queste galassie nane sono dunque una sfida alle attuali conoscenze. Una possibilità è che queste piccole galassie ripetano la geometria della struttura osservata su scale molto maggiori. «Per la prima volta abbiamo una verifica osservativa del fatto che esistano grandi autostrade di forma filamentosa lungo le quali si canalizzano le galassie nane, che attraversano il cosmo lungo maestosi ponti di materia oscura», dice Libeskind. Lungo queste strutture le galassie satelliti possono essere incanalate e muoversi verso la Via Lattea, Andromeda e Centaurus A. «Il fatto che questo ponte galattico possa influenzare le galassie nane intorno a noi è impressionante, data la differenza di scala fra i due: le orbite delle galassie satelliti hanno dimensioni pari a circa l’1% del ponte galattico verso l’ammasso della Vergine».
di Elisa Nichelli (INAF)

Le nuove mappe di materia oscura

Ricercatori del National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), dell’University of Tokyo e di altri istituti hanno iniziato una survey del cielo per studiare la distribuzione della materia oscura utilizzando la Hyper Suprime-Cam, una nuova camera a largo campo installata presso il telescopio Subaru situato nelle Hawaii. I primi risultati delle osservazioni, che coprono un’area di 2,3 gradi quadrati verso la costellazione del Cancro, hanno rivelato ben 9 concentrazioni di materia oscura, ognuna avente una massa tipica di un ammasso di galassie. Analizzare come è distribuita spazialmente la materia oscura e come essa varia nel tempo è essenziale per comprendere il ruolo dell’energia oscura che controlla l’espansione dell’Universo. Inoltre, questi dati dimostrano il fatto che ora gli astronomi possiedono la tecnologia e gli strumenti più consoni per studiare l’energia oscura. Il passo successivo sarà quello di ampliare la survey per coprire almeno un migliaio di gradi quadrati di cielo in modo da ricavare ulteriori dati allo scopo di svelare il mistero dell’energia oscura e, quindi, dell’espansione cosmica. Mappare la distribuzione spaziale della materia oscura su vaste regioni di cielo è di fondamentale importanza per capire ancora più in dettaglio le proprietà dell’energia oscura, quella enigmatica componente che sta determinando l’espansione accelerata dell’Universo. Di fatto, questi risultati preliminari stanno dimostrando che con le attuali tecniche di ricerca e con la Hyper Suprime-Cam è possible esplorare la distribuzione spaziale della materia oscura e come essa è evoluta nel corso del tempo, svelare il mistero dell’energia oscura e quindi monitorare la storia dell’espansione cosmica con dettagli senza precedenti. Dal 1929, quando Edwin Hubble scoprì l’espansione dell’Universo, gli astronomi hanno iniziato ad utilizzare un modello cosmologico che indicava un tasso di espansione dello spazio in rallentamento nel corso del tempo. Sappiamo che la gravità, fino a qualche tempo fa considerata l’unica forza nota che agisce tra le galassie, si oppone all’espansione. Ma negli anni ’90, le osservazioni delle supernovae Ia distanti mostrarono che l’Universo si espande più rapidamente oggi rispetto al passato. Questa scoperta richiedeva l’introduzione di un nuovo concetto fisico: o c’è qualche forma di “energia oscura” di natura repulsiva, che tende a far allontanare le galassie, oppure la fisica della gravità richiede qualche revisione a livello più fondamentale. Dunque per svelare il mistero dell’espansione accelerata, è importante analizzare la relazione tra il tasso di espansione dell’Universo e quello a cui si formano gli oggetti astrofisici. Ad esempio, se l’Universo si espande rapidamente, occorrerà più tempo alla materia per collassare e formare le galassie. Al contrario, se l’Universo si espande più lentamente, le strutture cosmiche si formeranno più facilmente. In effetti, esiste una relazione diretta tra la storia della formazione delle strutture e la storia dell’espansione cosmica. Il problema è che la maggior parte della materia presente nell’Universo è davvero “oscura”, non emette luce e perciò non può essere rivelata direttamente dai telescopi. Una tecnica che permette di superare questa problematica si basa sull’effetto “debole” della lente gravitazionale o “weak lensing”. Una concentrazione di materia oscura agisce come una sorta di “lente cosmica” che devia i raggi luminosi provenienti dagli oggetti più distanti. Ora, osservando la deformazione degli oggetti distanti causata dall’effetto della lente gravitazionale, è possibile determinare la distribuzione spaziale della materia oscura interposta lungo la linea di vista. Questa analisi degli effetti prodotti dalla materia oscura permette ai ricercatori di determinare come si è addensata nel corso del tempo. Il processo di aggregazione della materia oscura può essere correlato con la storia dell’espansione cosmica e potrebbe rivelarci alcune proprietà fisiche dell’energia oscura, la sua forza ed evoluzione nel corso del tempo. Per ottenere una quantità sufficiente di dati, gli astronomi devono osservare galassie che si trovano almeno a più di un miliardo di anni luce e che sono distribuite spazialmente in un’area di cielo più grande di un migliaio di gradi quadrati (circa 1/40 dell’intera volta celeste). La combinazione realizzata mettendo insieme il telescopio Subaru, con il suo diametro di apertura di 8,2 metri, e la Suprime-Cam, la camera precedente rispetto a quella nuova, che ha un campo di vista pari a 1/10 di grado quadrato (circa le dimensioni sottese dalla Luna piena), ha rappresentato uno dei successi tecnologici più significativi nel campo della ricerca di oggetti deboli e distanti. Ad ogni modo, anche nel caso di questa potente combinazione strumentale, esplorare un migliaio di gradi quadrati di cielo ad una determinata profondità non è molto realistico. «Questa è la ragione per cui abbiamo trascorso dieci anni per sviluppare la Hyper Suprime-Cam, che ha una qualità d’immagine superiore alla Suprime-Cam e un campo di vista oltre sette volte più grande», spiega Satoshi Miyazaki del National Astronomical Observatory of Japan’s Advanced Technology Center, investigatore principale del gruppo di ricerca e autore principale dello studio pubblicato su Astrophysical Journal. La Hyper Suprime-Cam è stata installata al telescopio Subaru nel 2012. Dopo i primi test, a partire da Marzo 2014 è stata resa di pubblico accesso alla comunità astronomica. Attualmente, è in corso un programma di osservazione “strategico”, costituito da più di 300 notti di osservazione pianificate in un periodo di 5 anni. La camera, dotata di 870 milioni di pixel, fornisce immagini che coprono un’area di cielo paragonabile a quella sottesa da 9 lune piene per una singola esposizione, con una distorsione estremamente minima e con una risoluzione di 7/1000 di grado (0,5 secondi d’arco). I ricercatori hanno analizzato i dati preliminari forniti dalla Hyper Suprime-Cam per verificare il suo potere esplorativo nel mappare la distribuzione della materia oscura con la tecnica del “weak lensing”. I dati raccolti da un’area di cielo che copre 2,3 gradi quadrati, considerando una esposizione di circa due ore, hanno fornito una serie di immagini nitide di numerose galassie. In questo modo, gli scienziati sono stati in grado di costruire una mappa della distribuzione spaziale di materia oscura. I risultati delle osservazioni hanno portato alla scoperta di ben nove regioni dove la densità della materia oscura risulta elevata. Inoltre, per ciascuna di queste nove regioni si stima una massa equivalente tipica di un ammasso di galassie. L’attendibilità della tecnica del “weak lensing”, e quindi delle mappe risultanti della distribuzione della materia oscura, sono state confermate anche dalle osservazioni realizzate con altri telescopi che mostrano veri e propri ammassi di galassie in corrispondenza delle nove regioni a densità elevata identificate dalla Hyper Suprime-Cam. Per l’identificazione ottica degli ammassi, gli astronomi hanno utilizzato l’archivio Deep Lens Survey. Il numero degli ammassi di galassie trovati dalla Hyper Suprime-Cam supera quello derivato dalle previsioni degli attuali modelli che descrivono la storia cosmica primordiale dell’Universo. Quindi, man mano che la mappa sarà estesa fino a coprire almeno un migliaio di gradi quadrati, i dati dovrebbero rivelare se questo eccesso sia davvero reale o se invece si tratta di un artefatto strumentale. Se l’eccesso sarà confermato attendibile, la conclusione potrebbe essere che nel passato non c’è stata così tanta energia oscura come ci si aspetta, il che ha permesso all’Universo di espandersi dolcemente e alle stelle e alle galassie di formarsi rapidamente. Insomma, utilizzare la tecnica del “weak lensing” per mappare la distribuzione della materia oscura è anche un modo per scoprire oggetti astronomici utilizzando la loro massa, sapere che esiste “qualcosa” e quanto pesa allo stesso tempo. Essa fornisce una misura diretta della massa che non è possibile ricavare con altri metodi. Perciò, le mappe che permettono di misurare la massa della distribuzione della materia oscura rappresentano uno strumento essenziale per comprendere in maniera più precisa e dettagliata la storia dell’espansione dell’Universo.
di Corrado Ruscica (INAF)

La materia oscura potrebbe essere, dopo tutto, non del tutto oscura …

Per la prima volta la materia oscura potrebbe essere stata osservata in interazione con altra materia oscura in un modo diverso dall’attrazione gravitazionale. L’osservazione di galassie in collisione effettuata con il VLT (Very Large Telescope) dell’ESO e il telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA hanno raccolto i primi interessanti indizi sulla natura di questa misteriosa componente dell’Universo.  Usando lo strumento MUSE installato sul VLT dell’ESO in Cile, insieme con immagini del telescopio orbitante Hubble, un’equipe di astronomi ha studiato la collisione simultanea di quattro galassie nell’ammasso di galassie Abell 3827.

L'immagine  dell'Hubble Space Telescope mostra il ricco ammasso di galassie Abell 3827. Le strane strutture celesti che circondano le galassie centrali sono la vista di una galassia molto più lontana prodotta dall'effetto della lente gravitazionale. La distribuzione della materia oscura nell'ammasso è mostrata con linee di colore blu. Vi è un'estremità di materia oscura per la galassia a sinistra significativamente spostato dalla posizione della galassia stessa, che potrebbe essere prodotto dalla prolungata interazione tra materia oscura.

L’equipe ha potuto tracciare l’ubicazione della massa all’interno del sistema e confrontare la distribuzione della materia oscura con la posizione delle galassie luminose. Anche se la materia oscura non si vede, l’equipe ha potuto dedurne la posizione usando una tecnica chiamata lente gravitazionale. La collisione è avvenuta per caso proprio davanti a una sorgente molto più distante e non correlata. La massa della materia oscura intorno alle galassie in collisione ha distorto lo spazio tempo, deviando il percorso dei raggi di luce provenienti dalla lontana galassia di fondo – e distorcendone l’immagine nelle caratteristiche forme arcuate. La teoria corrente è che tutte le galassie si formino all’interno di grumi di materia oscura. Senza l’effetto vincolante della gravità dovuta alla materia oscura, galassie come la Via Lattea andrebbero a pezzi nella rotazione. Per evitarlo, l’85% della massa dell’Universo (gli astronomi hanno trovato che il contenuto totale di massa / energia dell’Universo è diviso in proporzione del 68% di l’energia oscura, 27% di materia oscura e 5% di materia “normale”. Perciò la frazione dell’85% si riferisce alla frazione di “materia” che è oscura) deve esistere sotto forma di materia oscura, eppure la sua vera natura rimane ancora misteriosa. In questo studio, i ricercatori hanno osservato le quattro galassie interagenti e hanno trovato che un grumo di materia oscura era apparentemente rimasto indietro rispetto alla galassia che circonda. La materia oscura è ora a circa 5000 anni luce (50 000 milioni di milioni di chilometri) indietro rispetto alla galassia – la sonda Voyager della NASA impiegherebbe 90 milioni di anni a coprire questa distanza. Un ritardo tra la materia oscura e la galassia ad essa associata è previsto durante la collisione se la materia oscura interagisce con se stessa, anche se debolmente, grazie a forze diverse dalla gravità (simulazioni al computer mostrano che l’attrito aggiuntivo dovuto alla collisione farebbe rallentare la materia oscura. La natura dell’interazione rimane non nota; potrebbe essere causata da effetti ben noti o da qualche forza esotica ancora sconosciuta. Tutto ciò che si può dire a questo punto è che non è la gravità. Tutte e quattro le galassie potrebbero essere state separate dalla loro materia oscura. Ma le misure sono buone per una sola galassia, poichè per caso è ben allineata con l’oggetto di fondo, distorto dalla lente gravitazionale. Con le altre tre galassie, le immagini dovute alla lente sono più lontane e perciò i vincoli imposti sulla posizione della materia oscura sono troppo poco stringenti per trarre conclusioni significative dal punto di vista statistico). La materia oscura non è mai stata osservata prima d’ora interagire in modo diverso dalla forza di gravità. Il primo autore Richard Massey dell’Università di Durham spiega: “Eravamo abituati a pensare che la materia oscura stesse lì tranquilla, badando solo a se stessa, fatta eccezione per l’attrazione gravitazionale. Ma se la materia oscura venisse rallentata durante la collisione, potrebbe essere la prima evidenza di una diversa fisica nella zona oscura – l’Universo nascosto intorno a noi“. I ricercatori fanno notare che servono ulteriori indagini su altri effetti che possano produrre un ritardo. Dovranno essere eseguite osservazioni simili su altre galassie e simulazioni numeriche dello scontro tra galassie. Liliya Williams dell’Università di Minnesota, altro membro dell’equipe, aggiunge: “Sappiamo che la materia oscura esiste a causa della sua interazione gravitazionale, che aiuta a dare una forma all’Universo, ma sappiamo poco, in modo addiritttura imbarazzante, su cosa sia in realtà la materia oscura. Le nostre osservazioni suggeriscono che la materia oscura interagisca con forze diverse dalla gravità, dimostrando che possiamo scartare alcune delle teorie fondamentali sulla composizione della materia oscura“. Questo risultato discende da un altro recente di questa stessa equipe, che ha osservato 72 scontri tra ammassi di galassie (Gli ammassi di galassie contengono fino a migliaia di singole galassie),  e trovato che la materia oscura interagisce molto poco con se stessa. Il nuovo lavoro invece riguarda il moto delle singole galassie, invece che degli ammassi di galassie. I ricercatori sostengono che lo scontro tra queste galassie potrebbe essere durato più a lungo che la collisione osservata nello studio precedente – permettendo agli effetti di una forza di attrito anche minima di crescere nel tempo e produrre un ritardo misurabile (l’incertezza maggiore sul risultato è la durata della collisione: l’attrito che rallenta la materia oscura potrebbe essere dovuto a una forza molto debole che agisce per un miliardo di anni o una forza relativamente più intensa che agisce per “solo” 100 milioni di anni.). Presi insieme, questi due risultati restringono per la prima volta i possibili comportamenti della materia oscura” la materia oscura interagisce più di questo, ma meno di quello. Massey ha aggiunto: “Stiamo finalmente costringendo la materia oscura all’angolo, spingendo la nostra conoscenza da due direzioni diverse“. Questa ricerca è stata presentata in un articolo intitolato “The behaviour of dark matter associated with 4 bright cluster galaxies located in the 10 kpc core of Abell 3827”  pubblicato sulla rivsita Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Foto: l’immagine dell’Hubble Space Telescope mostra il ricco ammasso di galassie Abell 3827. Le strane strutture celesti che circondano le galassie centrali sono la vista di una galassia molto più lontana prodotta dall’effetto della lente gravitazionale. La distribuzione della materia oscura nell’ammasso è mostrata con linee di colore blu. Vi è un’estremità di materia oscura per la galassia a sinistra significativamente spostato dalla posizione della galassia stessa, che potrebbe essere prodotto dalla prolungata interazione tra materia oscura.
Fonte: ESO (European Southern Observatory)

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