Materia oscura: la ricetta è incompleta

Un po ‘come uno chef che, mentre assaggia un piatto sconosciuto, cerca di identificarne gli ingredienti e le loro proporzioni, poi gli astronomi cercano di scoprire la natura e le proprietà della materia oscura, studiandola indirettamente grazie agli effetti che produce. Prodotto. Uno di questi effetti, previsto dalla teoria della relatività generale, è la deflessione della luce, particolarmente forte da oggetti molto massicci come ammassi di galassie. Questo fenomeno, noto come “lente gravitazionale ‘può causare grandi distorsioni nella forma osservata delle sorgenti che emettono luce, o addirittura far sì che queste sorgenti vengano viste più di una volta.

Un team internazionale di ricercatori, guidato da Massimo Meneghetti dell’Istituto Nazionale di Astrofisica, ritiene che alcuni ingredienti possano mancare nelle attuali “ricette” che descrivono la materia oscura: nello studio pubblicato sull’ultimo numero di Scienza Gli scienziati hanno scoperto un divario inaspettato e notevole tra osservazioni e modelli teorici che prevedono la distribuzione della materia oscura negli ammassi di galassie. I risultati dell’indagine mostrano che le concentrazioni di materia, su piccola scala, sono così grandi che gli effetti di lente gravitazionale che producono sono dieci volte maggiori del previsto. Il lavoro si basa sulle osservazioni di alcuni enormi ammassi di galassie effettuate dal telescopio spaziale Hubble della NASA e dal Very Large Telescope (VLT) dell’ESO in Cile.

La materia oscura è la colla invisibile che tiene insieme le stelle in una galassia e rappresenta la frazione dominante della sua massa. Su scala molto più ampia, è l’impalcatura invisibile del nostro universo che lega insieme le galassie in lunghe strutture filamentose. La materia oscura non emette, assorbe o riflette la luce: sembra totalmente inerte. La presenza di materia oscura è conosciuta solo dall’attrazione gravitazionale che esercita sulla materia visibile, oltre che, come detto, sulla luce. L’ipotesi comunemente accettata basata su varie prove di osservazione dell’universo su larga scala è che la materia oscura sia composta da particelle massicce, non collisionali e “fredde”.

Gli ammassi di galassie, le strutture più massicce dell’universo, sono anche i più grandi serbatoi di materia oscura. Gli ammassi sono costituiti da singole galassie tenute insieme dalla potente attrazione gravitazionale esercitata dalla materia oscura. Ma anche le singole galassie negli ammassi contengono grandi quantità di materia oscura. La materia oscura in cluster è quindi distribuita su diverse scale spaziali.

“Gli ammassi di galassie sono laboratori ideali per studiare la materia oscura e la sua interazione con la materia leggera”, afferma. Massimo Meneghetti, ricercatore all’INAF di Bologna, primo autore dell’articolo pubblicato su Scienza. “Abbiamo eseguito molti test precisi per confrontare i dati osservativi con simulazioni numeriche che descrivono come la materia dovrebbe essere distribuita negli ammassi di galassie sulla base del modello della materia oscura fredda. Abbiamo trovato una notevole discrepanza alla scala delle galassie a grappolo, indicando che c’è una caratteristica dell’Universo reale che non riproduciamo con il nostro attuale modello teorico. Alcuni elementi fisici chiave potrebbero mancare nelle simulazioni che abbiamo usato o potremmo non aver compreso la vera natura della materia oscura ”, continua Meneghetti.

La distribuzione dettagliata della materia oscura negli ammassi di galassie viene tracciata attraverso gli effetti di lenti gravitazionali che producono, amplificando e deviando la luce dagli oggetti celesti dietro di loro rispetto alla nostra linea di vista. Maggiore è la concentrazione di materia oscura in un ammasso, maggiore è la distorsione delle immagini delle galassie sullo sfondo. La presenza di agglomerati di materia oscura su piccola scala associati alle singole galassie che compongono gli ammassi aumenta il livello di distorsione. In un certo senso, l’ammasso galattico si comporta come una lente su larga scala in cui sono incorporate molte lenti più piccole.

Le osservazioni di Hubble hanno identificato dozzine di galassie distanti colpite da lente dalla materia distribuita su scala più ampia nei cluster considerati. Con grande sorpresa del team, molte di queste sorgenti sono pesantemente distorte o raddoppiate in più immagini, anche attorno a galassie a singolo ammasso. I ricercatori ritengono che questi effetti di lente su piccola scala sono dovute alla presenza di alte concentrazioni di materia oscura associate a queste galassie.

Per confermare questa ipotesi, il team ha utilizzato una nuova tecnica per ottenere la mappatura della distribuzione della materia in cluster. I ricercatori hanno utilizzato lo spettrografo MUSE del VLT per misurare la velocità di movimento delle stelle in alcune delle galassie a grappolo e lo hanno utilizzato per misurare la loro massa. Hanno quindi combinato queste misure con gli effetti di lente osservato nelle immagini HST.

Le ricostruzioni così ottenute mostrano la presenza di aloni diffusi di materia oscura, simili a catene montuose, con pinnacoli acuminati sovrapposti, che rappresentano la materia concentrata nelle galassie. La qualità dei dati dello studio ha permesso al team di verificare se questi paesaggi dell’universo osservato corrispondono a quanto previsto dalla teoria nel caso di ammassi di dimensioni e distanza simili. Per questo confronto sono state utilizzate simulazioni cosmologiche avanzate ad alta risoluzione. I cluster di queste simulazioni non mostrano lo stesso livello di concentrazione di materia su scale più piccole e non sono in grado di spiegare il numero di effetti di lente scoperto intorno alle galassie osservate.

“Questo lavoro costituisce un salto nella conoscenza della formazione delle strutture nell’Universo e rappresenta una sfida ai modelli cosmologici”, conclude. Elena Rasia, dall’INAF di Trieste.

Lo studio è stato pubblicato oggi sul sito web della rivista Science nell’articolo Un eccesso di lenti gravitazionali su piccola scala viste negli ammassi di galassie