Dopo la nostra apprezzata serie di articoli relativi a Materia ed Energia Oscura, torniamo a parlare dell'elusiva Materia Oscura, uno degli ingredienti più misteriosi e dibattuti del nostro Universo; torniamo a chiacchierare delle sue proprietà con una nuova ricerca pubblicata lo scorso mese sulla rivista MNRAS.
Attraverso gli effetti del lensing gravitazionale, un team internazionale di ricercatori ha sfruttato i nuovi dati del Telescopio Spaziale Hubble per mappare con notevole precisione la distribuzione delle sottostrutture di Materia Oscura all'interno di 3 ammassi di galassie: Abell 2744, MACSJ 0416 e MACSJ 1149. Lo scopo? Testare ulteriormente il modello che descrive il nostro Universo e sperare di capire qualcosa di più sulle sue inafferrabili quanto problematiche componenti aggiuntive.
Lo studio della struttura e dell'evoluzione del Sosmo ha subito un eccellente avanzamento negli ultimi decenni grazie al contributo delle continue innovazioni tecnologiche; osservazioni e analisi sempre più dettagliate, da terra e nello Spazio, ci hanno permesso di svelare e comprendere in modo estremamente accurato molti segreti celati nel nostro Universo, raggiungendo risultati a dir poco strabilianti. Tuttavia la conoscenza di cui disponiamo al giorno d'oggi ci ha anche reso consapevoli di quanto ancora poco sappiamo riguardo alla realtà che ci circonda.
Un vastissimo "settore oscuro" si estende davanti a noi, un puzzle con due enormi pezzi mancanti; due entità la cui natura è tutt'altro che chiara, introdotte per spiegare un discreto numero di fenomeni che ci danno del filo da torcere da almeno una quarantina di anni. Sto parlando dell'intrigante Materia Oscura, una forma di materia completamente diversa dalla nostra la cui unica interazione conosciuta è l'attrazione gravitazionale, e l'Energia Oscura, una sorta di fluido misterioso che riempie il 70% del Cosmo e che, agendo in maniera diametralmente opposta alla gravità, produce l'espansione accelerata del nostro Universo.
Il modello più semplice in grado di spiegare in maniera più o meno completa il vasto panorama delle evidenze osservative e delle conseguenti problematiche è chiamato modello ΛCDM: esso prevede che l'Energia Oscura sia descritta da una costante, la rinomata "Costante Cosmologica" Λ e che la Materia Oscura sia di tipo "freddo", ovvero costituita da particelle sufficientemente pesanti da muoversi a velocità molto minori di quelle della luce, debolmente interagenti - così da non rompere troppo le scatole alla materia ordinaria - ma affette dalla gravità esattamente come ogni altro oggetto nel Cosmo.
Queste poche elementari prescrizioni sono sufficienti a rappresentare abbastanza bene una varietà di effetti molto ampia, dalla formazione delle strutture nel cosmo alla sua storia di evoluzione su larga scala. Tuttavia alcune discrepanze con il così detto Modello Standard della cosmologia sorgono quando andiamo a considerare ciò che avviene a piccole scale, dove per "piccole" intendo le dimensioni di una galassia o di un gruppetto di galassie come la Via Lattea. Già, una galassia, un oggetto per noi talmente grande che attraversarlo da una parte all'altra alla velocità della luce richiederebbe circa centomila anni, ma è poco meno di uno sputo se paragonato alle dinamiche che coinvolgono l'Universo nel suo insieme.
Ad ogni modo, secondo il modello ΛCDM le strutture nel Cosmo si dovrebbero essere formate attraverso un processo di "agglomeramento gerarchico", ovvero un addensarsi di materia a partire dalle strutture più piccole che, sotto l'azione della gravità, si uniscono a creare oggetti via via più grandi. Un po' come succede intorno a un buffet quando arrivano i fritti, anche se in quel caso il tutto si conclude in pochi decimi di secondo.
Al centro di questa evoluzione ci sono gli aloni di Materia Oscura, le bolle nelle quali la nostra materia ordinaria si raccoglie per formare le galassie. Alla fine dell'intero processo che porta alla generazione di una struttura complessa, una serie di aloni più piccoli (sottostrutture indipendenti di svariate dimensioni) dovrebbe sopravvivere all'interno dell'alone madre. Attraverso le simulazioni numeriche, che negli ultimi anni hanno raggiunto un livello di performance ragguardevole, possiamo calcolare il numero di mini-aloni che ci si aspetterebbe di trovare alle scale di una galassia come la nostra.
D'altro canto possiamo direttamente contare le sottostrutture reali presenti intorno a noi osservando il numero di piccole galassie-satellite che orbitano attorno alla Via Lattea, ciascuna immersa nella propria bollicina di Materia Oscura. Inutile dire che i conti non tornano. Il numero di oggetti osservati è molto più piccolo rispetto a quanto atteso dalle predizioni del modello. In pratica "mancano" all'appello diversi mattoncini di materia che dovrebbero trovarsi nei dintorni della nostra galassia... come mai?
Intorno alla questione si è acceso un bel dibattito. Magari abbiamo preso una sincera cantonata con la storia della Materia Oscura e dobbiamo rivedere la nostra teoria... Oppure, come suggerito da alcune recenti ricerche, non siamo in grado di osservare gli aloni più piccoli perché troppo deboli e con poca materia luminosa al loro interno. In questo caso ad essere sbagliate - o più correttamente "non complete" - sarebbero le osservazioni. Appare dunque molto complicato testare correttamente la validità del nostro modello cosmologico con questo tipo di analisi.
Una possibile soluzione? Se le galassie e i loro satelliti non sono sufficienti, proviamo ad andare un po' più in là. Ad esempio, prendendo un ammasso di galassie e tentando di ricostruire tutte le sottostrutture che riusciamo a trovare al suo interno. Le contiamo, vediamo quante ce ne sono con dimensioni e masse simili (cioè ricaviamo la così detta "Funzione di Massa") e poi le paragoniamo con le nostre simulazioni. Questo è, in poche semplici parole, ciò che è stato fatto dal team di ricercatori guidati da Priyamvada Natarajan, della Yale University.
Qual è la differenza con il caso precedente? Presto detto: se le sottostrutture presenti in un ammasso di galassie sono più grosse dei mini-aloni intorno alla Via Lattea, allora sono anche più facili da stanare. Questa volta non importa se ci sia roba luminosa al loro interno o se siano interamente costituite da Materia Oscura; abbiamo un altro alleato, qualcosa che diventa sempre più forte man mano che aumentiamo le dimensioni degli oggetti che andiamo ad indagare: la gravità.
La teoria della Relatività di Einstein rivoluziona il concetto di interazione gravitazionale interpretandola come una deformazione geometrica alla struttura dello spazio e del tempo. In questa visione, anche il percorso della luce viene modificato dal campo di gravità generato da una certa distribuzione di massa. Più intenso è tale campo, maggiore sarà la deflessione che i raggi di luce subiranno; questo fenomeno è noto come lensing gravitazionale. Oggetti sufficientemente grandi come gli ammassi di galassie sono in grado di "piegare" la geometria dell'Universo circostante a tal punto da modificare significativamente l'aspetto delle sorgenti retrostanti, amplificandone notevolmente la luminosità, distorcendone la forma fino a disegnare giganteschi archi luminosi nel cielo, creando delle immagini multiple di una stessa sorgente. Il modo in cui tutto ciò avviene è legato univocamente a come la materia (ordinaria e non) è organizzata all'interno della maestosa lente naturale.
Un'accurata analisi della luce proveniente da tutto ciò che circonda una certa struttura permette dunque di ricostruire la sua distribuzione di massa e quindi, nel nostro caso, di scovare le varie sottostrutture alle quali siamo interessati. Per far ciò, ovviamente, sono necessarie immagini di altissima qualità, come quelle che possono offrire le fotocamere ad elevata risoluzione montate sul Telescopio Spaziale Hubble (HST). Nell'ambito del progetto HST-Frontier Field (HSTFF) sono stati selezionati in totale 6 amassi di galassie per essere osservati in dettaglio fornendo la giusta dose di dati per l'analisi di Natarajan e collaboratori.
Lo studio sofisticato del lensing gravitazionale intorno ai 3 amassi utilizzati per la ricerca ha permesso di ricavare la distribuzione degli aloni al loro interno con masse più grandi di qualche miliardo di masse solari, cioè circa 100 volte più piccoli della Via Lattea. Sorprendentemente, paragonando la funzione di massa osservata con quella ottenuta tramite simulazioni basate sul modello ΛCDM, il problema dei pezzi mancanti sembra non sussistere: il numero di "bolle" localizzate nei 3 ammassi è in ottimo accordo con quello previsto dalla teoria in un intervallo di masse e dimensioni degli aloni che spazia ben 4 ordini di grandezza!
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Rappresentazione tridimensionale della distribuzione delle sottostrutture degli ammassi. Da sinistra a destra: Abell 2744, MACSJ 0416 e MACSJ 1149. Crediti: https://academic.oup.com/mnras/article/2970349/Mapping
Per fare un paragone terra-terra, è come se considerassimo oggetti dalle dimensioni di un chiodo a quelle di un'intera città, e per tutti le cose funzionassero bene. Ancora una volta, il Modello Standard e le sue oscure componenti aggiuntive nella loro forma più semplice non sembrano dare segni di cedimento. Che sia una vittoria o una sconfitta non possiamo dirlo, ma sicuramente rimane evidente il fatto che più del 95% del contenuto del Cosmo sia ancora ben al di fuori dalla nostra comprensione.
Lorenzo Pizzuti è laureato in Fisica presso l'Università degli Studi di Perugia e diplomato in pianoforte presso il conservatorio Briccialdi di Terni, è attualmente iscritto al primo anno del dottorato di ricerca in Fisica presso l'Università di Trieste. Lavora in cosmologia all'Osservatorio Astronomico diTrieste (OATS-INAF) principalmente su modifiche della gravità. La sua ricerca prende in esame gli ammassi di galassie, per "leggere" attraverso l'analisi del moto delle galassie e della luce se la gravità si comporta come Einstein ha teorizzato oppure se qualcosa di diverso accade. Ha una prima pubblicazione sulla rivista scientifica JCAP. Oltre all'ambito accademico, è attivo nella divulgazione scientifica, ha partecipato e vinto la selezione nazionale del concorso "FameLab" nel 2016 e si è classificato tra i primi 12 alla finale mondiale. Siamo felici di annunciarvi che collabora con Tom's Hardware per la produzione di contenuti scientifici.