Ancora incertezze sulla materia oscura

Nuove osservazioni, effettuate con telescopi diversi, manifestano delle criticità nei modelli teorici sul comportamento della materia oscura.

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Recenti osservazioni, effettuate in Cile con il Telescopio Hubble Space della NASA/ESA e con il Very Large Telescope(VLT) dello European Southern Observatory, hanno evidenziato che, nelle teorie che descrivono il comportamento della materia oscura, potrebbe mancare qualcosa. Questo ingrediente mancante potrebbe spiegare perché i ricercatori hanno scoperto una discrepanza inattesa, tra le osservazioni sulle concentrazioni di materia oscura in un insieme di aggregati di galassie e le simulazioni teoriche, sviluppate al computer, di come questa stessa materia dovrebbe distribuirsi tra gli stessi aggregati di galassie. Le nuove scoperte indicano che delle piccole concentrazioni di materia oscura producono un effetto lente gravitazionale, 10 volte più intenso di quanto ci si aspettasse.

La materia oscura rappresenta quel collante invisibile che tiene unite stelle, polvere e gas, all’interno di una galassia. Questa sostanza misteriosa costituisce la maggior parte della massa di una galassia, e costituisce la base della struttura a larga scala del nostro universo. Dal momento che la materia oscura non emette, non assorbe e non riflette la luce, la sua presenza è rilevabile solo attraverso la sua spinta gravitazionale sulla materia visibile, presente nello spazio. Gli astronomi e i fisici stanno ancora cercando di capire cosa sia effettivamente questa materia oscura.

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I raggruppamenti di galassie (cluster), le strutture più grandi, e di recente formazione, dell’universo, rappresentano anche i più grandi contenitori di materia oscura. Questi cluster sono costituiti da singole galassie, che, in gran parte, sono tenute insieme dalla gravità della materia oscura.

Il responsabile della ricerca, oggetto del presente articolo, è Massimo Meneghetti, dell’INAF – Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna. Egli afferma che i cluster di galassie sono dei laboratori ideali all’interno dei quali studiare se le simulazioni numeriche dell’universo, attualmente disponibili, riproducono ciò che può essere dedotto dalle lenti gravitazionali.

Dopo aver testato innumerevoli volte i dati, il gruppo di ricerca ha la certezza che questa discrepanza indica la mancanza di qualche ingrediente fisico, o dalle simulazioni computazionali, o dalla nostra comprensione della natura della materia oscura.

Secondo Priyamvada Natarajan, della Yale University, c’è qualche caratteristica dell’universo reale che semplicemente non viene presa in considerazione negli attuali modelli teorici. In questo caso, si avrebbe un deficit nella nostra comprensione della natura e delle proprietà della materia oscura, in quanto questi dati ci hanno permesso di sondare la distribuzione dettagliata della materia oscura su piccola scala.

La distribuzione della materia oscura nei cluster di galassie, viene mappata misurando l’effetto lente gravitazionale che essi producono, cioè il grado di flessione della luce. La gravità della materia oscura, concentrata nei cluster, amplifica e deforma la luce provenienti da oggetti distanti. Questo effetto produce delle distorsioni delle forme di galassie di fondo, che poi appaiono in immagini dei cluster. Le lenti gravitazionali spesso possono anche produrre delle immagini multiple della medesima galassia distante.

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La flessione della luce è direttamente proporzionale alla quantità di materia oscura concentrata nei cluster di galassie. La presenza di quantità di materia oscura, a scala più piccola, associata alle singole galassie del cluster, aumenta il livello della distorsione. In altre parole, il cluster di galassie agisce come una grande lente, formata dall’aggregazione di molte altre lenti più piccole.

Le immagini di Hubble sono state prese dalla camera n. 3, ad ampio campo, del telescopio e dalla Camera Avanzata per i sondaggi. Accoppiando queste immagini con gli spettri ottenuti dal Very Large Telescope dello European Southern Observatory, il gruppo di ricerca è riuscito a produrre una mappa della materia oscura molto accurata a di alta definizione. Attraverso la misurazione delle distorsioni, dovute all’effetto lente gravitazionale, gli astronomi riescono a tracciare la quantità e la distribuzione della materia oscura. I tre cluster di galassie studiati, MACS J1206-0847, MACS J0414.1-2403, e ABELL S1063, fanno parte di due indagini condotte da Hubble: il Frontier Fields e il Cluster Lensing And Supernova survey.

Con sorpresa del team, oltre agli archi e alle forme allungate di galassie distanti, prodotte dall’effetto lente gravitazionale di ogni cluster, le immagini di Hubble hanno rivelato un numero inatteso di archi, e di immagini distorte, a scala inferiore, addensati nei pressi del nucleo centrale del cluster, dove sono collocate le galassie più grandi. I ricercatori credono che queste lenti addensate siano prodotte dalla gravità di dense concentrazioni di materia all’interno di ogni singola galassia del cluster. Le osservazioni spettroscopiche di controllo hanno misurato la velocità delle stelle che orbitano all’interno di diversi ammassi di galassie, per determinarne le masse.

I dati provenienti da Hubble e dal VLT presentano delle robuste sinergie. È stato possibile associare le galassie a ogni specifico cluster e stimarne le loro distanze.

La velocità delle stelle permette di stimare la massa di ogni singola galassia, compresa la materia oscura contenuta nella galassia.

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Mettendo insieme le immagini di Hubble e i dati spettroscopici del VLT, gli astronomi sono riusciti a identificare dozzine di galassie di fondo, distorte e riprodotte anche più volte. In questo modo, i ricercatori hanno potuto assemblare una mappa ben calibrata, e ad alta definizione, della distribuzione della massa di materia oscura in ogni cluster.

Successivamente, i ricercatori hanno comparato le mappe di materia oscura con esempi di cluster di galassie simulati, aventi masse simili, e localizzati a distanze simili. I cluster del modello computazionale non presentavano nessuna concentrazione di materia oscura, su scale inferiori – ovvero le dimensioni associate alle singole galassie del cluster in esame.

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I risultati di queste analisi sono un’ulteriore dimostrazione di come le osservazioni e le simulazioni numeriche procedano in simbiosi.

Le simulazioni ad alta risoluzione permettono di effettuare una comparazione con i dati sperimentali, con un livello di precisione mai raggiunto prima.

Anche questo gruppo di ricerca, come tanti altri sparsi nel mondo, è in continuo lavoro per sondare la materia oscura e i suoi misteri, allo scopo di definire, una volta per tutte, la sua natura.

Fonte: phys.org