L’analisi dell‘evoluzione degli ammassi di galassie, gli oggetti più grandi dell’universo, che si è prodotta nel tempo cosmico, ha generato misurazioni precise del contenuto totale di materia e della sua aggregazione, hanno dichiarato gli scienziati del consorzio tedesco eROSITA, guidato dall’Istituto Max Planck per la fisica extraterrestre e con partecipazione dell’Università di Bonn.
Evoluzione degli ammassi di galassie come strumento per la cosmologia di precisione
I risultati confermano il modello cosmologico standard e alleviano la cosiddetta tensione S8, offrendo allo stesso tempo informazioni sulla massa degli sfuggenti neutrini. L’analisi sull’evoluzione degli ammassi di galassie si basa su uno dei più grandi cataloghi di ammassi e superammassi di galassie. Un pilastro importante dell’analisi è la “pesatura” degli ammassi di galassie scoperti, alla quale l’Università di Bonn ha contribuito in modo determinante.
eROSITA è un telescopio spaziale a raggi X a bordo del satellite Spectrum-RG, lanciato nel luglio 2019. Due settimane fa, il consorzio tedesco eROSITA ha pubblicato i dati della prima indagine all-sky . L’obiettivo principale dell’indagine è comprendere meglio la cosmologia attraverso la misurazione dell’evoluzione degli ammassi di galassie, ovvero della crescita nel tempo cosmico di alcune delle strutture più grandi dell’universo.
Tracciando l’evoluzione degli ammassi di galassie attraverso i raggi X emessi dal gas caldo rilevato da eROSITA, combinato con solide misurazioni della massa degli ammassi attraverso una debole lente gravitazionale, sono state fatte misurazioni precise e accurate sia della quantità totale di densità di materia nell’universo che della sua aggregazione.
Mentre le misurazioni passate di aggregazione che hanno utilizzato tecniche diverse, in particolare il fondo cosmico a microonde (CMB) e il cosiddetto Cosmic Shear apparivano incoerenti tra loro, le misurazioni eROSITA sull”evoluzione degli ammassi di galassie ora mostrano coerenza con il CMB.
“eROSITA ha stabilito la misurazione dell’evoluzione degli ammassi di galassie come strumento per la cosmologia di precisione“, ha affermato la dott.ssa Esra Bulbul (MPE), scienziata capo del team di cosmologia e ammassi di eROSITA che ha fornito risultati rivoluzionari: “I parametri cosmologici che misuriamo negli ammassi di galassie sono coerenti con la CMB all’avanguardia, dimostrando che lo stesso modello cosmologico è valido da subito dopo il Big Bang a oggi”.
Secondo il modello cosmologico standard, chiamato modello Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM), l’universo in fase embrionale era un mare estremamente caldo e denso di fotoni e particelle. Nel corso del tempo cosmico, minuscole variazioni di densità si sono sviluppate nelle grandi galassie e negli ammassi di galassie che possiamo vedere oggi.
Le osservazioni dell’ammasso eROSITA mostrano che la materia di tutti i tipi (visibile e oscura) comprende il 29% del bilancio totale massa/energia dell’universo, in ottimo accordo con i valori ottenuti dalle misurazioni della CMB, che è stata emessa quando l’universo è divenuto una solida realtà.
eROSITA ha misurato la concentrazione della distribuzione della materia
Oltre a misurare l’evoluzione degli ammassi di galassie nel tempo, eROSITA ha anche misurato la concentrazione della distribuzione della materia, descritta tramite il cosiddetto parametro S8. Uno sviluppo importante in cosmologia negli ultimi anni è stata la cosiddetta “tensione S8”. Questa tensione nasce perché gli esperimenti CMB misurano un valore S8 più elevato rispetto, ad esempio, alle indagini di Cosmic Shear.
A meno che questa tensione non possa essere risolta, è implicita una nuova fisica, ed eROSITA ha fatto proprio questo: “eROSITA ci dice che l’universo si è comportato come previsto nel corso della storia cosmica”, ha spiegato il dottor Vittorio Ghirardini, il ricercatore post-dottorato presso MPE che ha guidato lo studio di cosmologia pubblicato sul server di prestampa arXiv: “Non c’è tensione con la CMB: forse i cosmologi possono rilassarsi un po’ adesso”.
Gli oggetti più grandi dell’universo trasportano anche informazioni sulle particelle più piccole: i neutrini. Queste particelle leggere sono quasi impossibili da rilevare. Dall’abbondanza dei più grandi aloni di materia oscura nell’universo il team di eROSITA che ha misurato l’evoluzione degli ammassi di galassie,cha ottenuto stretti vincoli sulla massa delle particelle più leggere conosciute.
I risultati del cluster eROSITA hanno fornito la misurazione combinata della massa dei neutrini più precisa finora ottenuta da qualsiasi sonda cosmologica osservativa.
Una componente importante dell’analisi sono le misurazioni della lente gravitazionale debole. Questo effetto descrive distorsioni coerenti che vengono impresse sulle forme osservate di galassie distanti quando i loro raggi luminosi attraversano il campo gravitazionale delle strutture in primo piano. Mentre gli studi sul taglio cosmico sondano l’effetto lungo direzioni casuali, esso può anche essere misurato in prossimità degli ammassi di galassie per stimare le loro masse.
Il team di eROSITA ha condotto tali misurazioni incorporando i dati di tre attuali indagini di lente gravitazionale debole, la Dark Energy Survey (DES), la Hyper Suprime Cam Survey (HSC) e la Kilo-Degree Survey (KiDS). Queste misurazioni calibrano la relazione tra il segnale dei raggi X di eROSITA e la massa, consentendo così il confronto con le previsioni del modello cosmologico.
L’importanza dello studio sull’evoluzione degli ammassi di galassie
“Sono orgoglioso del team di lente debole che ha svolto un ottimo lavoro nel fornire l’analisi di tutte e tre le principali indagini di lente debole per la calibrazione della massa dell‘ammasso eROSITA, che ha consentito questi vincoli cosmologici. Qualcosa che non è mai stato raggiunto prima“, ha aggiunto il Professor Thomas Reiprich dell’Argelander Institute for Astronomy (AIfA) dell’Università di Bonn, che ha guidato il lavoro sulla calibrazione della massa di lente debole all’interno del cluster eROSITA e del team di cosmologia dal 2019 alla fine del 2023.
Lo studioso è anche membro dell‘Area di ricerca transdisciplinare (TRA) “Matter” dell’Università di Bonn. L’analisi del sondaggio sull’effetto lente debole “KiDS” e anche il confronto dettagliato tra tutti e tre i sondaggi sono presentati oggi in un articolo, pubblicato anche come prestampa su arXiv e condotto da Florian Kleinebreil, Ph.D. studente nel gruppo del Prof. Dr. Tim Schrabback.
Una parte importante di questo lavoro è stata condotta presso l’AIfA: “Abbiamo scoperto che i tre sondaggi di lensing producono vincoli di massa coerenti per i cluster eROSITA, fornendo un importante test di coerenza per il complesso analisi”, ha spiegato Kleinebreil.
“L’analisi completata dimostra l’eccezionale potere di vincolo cosmologico fornito dalle analisi combinate di campioni di ammassi di galassie all’avanguardia e indagini di lente debole. È interessante notare che questo campo avanzerà ulteriormente nei prossimi anni, anche grazie all’arrivo del prossimo- programmi di lente debole di nuova generazione, compreso quello condotto dal nuovo telescopio spaziale dell’ESA Euclid,” ha concluso Schrabback, che ha partecipato alla misurazione dell’evoluzione degli ammassi di galassie.
