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Galassie lontane e l’intrinseca materia oscura

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Galassie lontane e la vera natura della materia oscura.

Al centro delle galassie a spirale – quelle vicine a noi ma anche quelle lontane miliardi di anni luce – c’è una vasta regione sferica costituita da particelle di materia oscura. Questa regione ha due caratteristiche che la definiscono: una densità costante fino a un certo raggio che si espande incredibilmente nel tempo, mentre la densità diminuisce.

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Questo suggerisce l’esistenza di un’interazione diretta tra le particelle elementari che compongono l’alone di materia oscura e quelle che compongono la materia ordinaria – protoni, elettroni, neutroni e fotoni.

Anticipiamo che questa ipotesi è in diretto conflitto con l’attuale teoria prevalente usata per descrivere l’universo — nota come Lambda-Cold Dark Matter — che postula che le particelle di materia oscura fredda siano inerti e non interagiscano con nessun’altra particella se non gravitazionalmente.

Galassie lontane

Galassie lontane: una nuova ricerca offre potenziale passo avanti nello studio della materia oscura

Queste importanti scoperte sono state riportate in un nuovo studio, recentemente pubblicato sulla prestigiosa rivista Astronomy and Astrophysics, che ha studiato un gran numero di galassie lontane, a circa sette miliardi di anni luce.

Lo studio, condotto da Gauri Sharma e Paolo Salucci della SISSA, insieme a Glen Van de Ven dell’Università di Vienna, ha dato un nuovo sguardo a uno dei più grandi misteri della fisica moderna.

Secondo gli autori, questa nuova ricerca rappresenta un passo avanti nella nostra comprensione della materia oscura, l’elemento sfuggente nel nostro universo che è stato teorizzato sulla base dei suoi effetti dimostrabili sui corpi celesti, ma che non è ancora stato direttamente comprovato. Questo nonostante un certo numero di osservazioni astrofisiche mirate ed esperimenti allestiti allo scopo, in laboratori sotterranei dedicati.

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Galassie lontane

Lo studio della materia oscura nelle galassie lontane

La materia oscura costituisce circa l’84% della massa del cosmo:

“La sua presenza dominante in tutte le galassie deriva dal fatto che le stelle e il gas idrogeno si muovono come se fossero governati da un elemento invisibile“; precisa Gauri Sharma.

Finora, i tentativi di studiarlo si sono concentrati sulle galassie vicine alla nostra; in questo caso, però, si tratta di un elemento invisibile:

“In questo studio, però”, spiega, “per la prima volta, cercavamo di osservare e determinare la distribuzione della massa di galassie a spirale con la stessa morfologia di quelle vicine, ma molto più lontane e quindi precedenti di circa sette miliardi di anni. L’idea è essenzialmente che questi progenitori di galassie a spirale come la nostra, potrebbero offrire indizi fondamentali sulla natura della particella al centro del mistero della materia oscura”.

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Paolo Salucci aggiunge: “Studiando il movimento delle stelle in circa 300 galassie lontane, abbiamo scoperto che questi oggetti avevano anche un alone di materia oscura, e che, partendo dal centro di una galassia, questo alone ha effettivamente una regione in cui la sua densità è costante.” Questa caratteristica era già stata osservata in studi che esaminavano galassie vicine, alcuni dei quali erano anche il lavoro della SISSA.

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La nuova ricerca ha rivelato, tuttavia, che questa regione centrale aveva qualcosa che era del tutto inaspettata nel contesto del cosiddetto “modello standard della cosmologia”.
Sharma dice che “come risultato del contrasto tra le proprietà delle galassie a spirale vicine e lontane – cioè tra le galassie di oggi e le loro antenate di sette miliardi di anni prima, abbiamo potuto vedere che non solo c’è una regione inspiegabile con una densità costante di materia oscura, ma anche che le sue dimensioni aumentano nel tempo come se fossero soggette a un processo di espansione e diluizione continua”.

Galassie lontane
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Questa evidenza è molto difficile da spiegare se le particelle di materia oscura non interagiscono, come postulato nel modello Lambda-CDM. “Nella ricerca che abbiamo recentemente pubblicato”, dice Sharma, “offriamo la prova di un’interazione diretta tra materia oscura e materia ordinaria, che nel tempo costruisce lentamente una regione di densità consistente dal centro della galassia verso l’esterno”. Ma c’è di più.

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Un processo lento ma inesorabile

“Sorprendentemente, la suddetta regione a densità costante si espande nel tempo. È un processo molto lento, ma inesorabile” afferma Salucci. Una possibile spiegazione?

“La più semplice è che all’inizio, quando la galassia si è formata, la distribuzione della materia oscura nell’alone sferico era quella prevista dalla teoria Lambda-CDM, con un picco di densità al centro”.

“In seguito, si forma il disco galattico che caratterizza le galassie a spirale, circondato da un alone di particelle di materia oscura estremamente dense. Con il passare del tempo, l’effetto dell’interazione che abbiamo ipotizzato fa sì che le particelle vengano catturate dalle stelle o espulse verso l’esterno della galassia”.
Questo processo creerebbe una regione sferica di densità costante all’interno dell’alone di materia oscura, con dimensioni che aumentano proporzionalmente nel tempo e infine raggiungono quelle del disco stellare galattico, come descritto nell’articolo su “Astronomy and Astrophysics”.

Galassie lontane

In conclusione

“I risultati dello studio pongono importanti domande per gli scenari alternativi che descrivono le particelle di materia oscura (a parte Lambda-CDM), come la Warm Dark Matter, Self-Interacting Dark Matter e Ultra Light Dark Matter”. Spiega ancora Sharma.

Questi modelli devono anche rendere conto della chiara evoluzione temporale registrata nella regione di cui sopra. Le proprietà delle galassie molto distanti nello spazio e nel tempo offrono ai cosmologi una vera porta d’accesso alla comprensione dei misteri della materia oscura”.

È interessante notare “che, in linea con la filosofia di Nietzsche, la verità di questo mistero può essere rivelata non dettagliando lo scenario più bello – quello matematicamente più elegante, semplice e anticipato come un’espansione di teorie da tempo verificate – ma piuttosto attraverso uno scenario “brutto” determinato da una fenomenologia osservativa inelegante e complicata, da una teoria fisica trascurata che è completamente estranea a quella che ci è familiare”. Conclude Salucci soddisfatto.

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