Per riuscire a risolvere il mistero della materia barionica mancante e capire la genesi della formazione delle galassie primordiali, i cosmologi hanno studiato la luce più antica emessa dai primi vagiti dell’universo neonato.
La prima luce, un “fossile” risalente alla formazione dell’universo, è conosciuta come fondo cosmico a microonde (CMB).
Lo studio accurato della CMB ì potrebbe svelare il mistero che avvolge l’energia oscura e testare la teoria della relatività generale di Einstein fornendo nuovi dati sulla velocità con cui le galassie si allontanando.
I cosmologi ritengono che l’universo, sia in larga, parte composto da energia oscura e materia oscura che rappresentano il 95% della massa e dell’energia oggi esistente.
Il restante 5% e composto unicamente dalla materia ordinaria o barionica che però è in gran parte invisibile. La materia barionica mancante forma i gas, in larga parte invisibili, che si trovano nelle periferie galattiche che vengono chiamati anche “aloni”.
La materia ordinaria è composta da protoni e neutroni, che prendono il nome di barioni. I barioni si trovano all’interno dei nuclei degli atomi di idrogeno e di elio e degli atomi più pesanti.
Solo il 10% circa della materia barionica è aggregata sotto forma di stelle, mentre la maggior parte è dispersa nello spazio tra le galassie sotto forma di filamenti di materia calda e diffusa nota come mezzo intergalattico caldo, o WHIM o materia barionica mancante.
Essendo i barioni cosi diffusi nello spazio è stato complicato per gli scienziati stabilire con chiarezza la posizione e la densità della materia barionica intorno alle galassie. A causa delle scarse conoscenze sulla posizione della materia ordinaria, la maggior parte dei barioni presenti nel cosmo vengono chiamati materia barionica mancante.
Un team internazionale di ricercatori composto dai fisici del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e della Cornell University, ha mappato la posizione della materia barionica mancante offrendo le migliori misurazioni, fino ad oggi, della posizione e densità attorno agli ammassi di galassie.
Le misurazioni hanno appurato che la materia barionica mancante forma, in larga misura, gli aloni di gas tra gli ammassi di galassie, rendendoli molto più estesi di quanto si sospettasse in precedenza.
Se la maggior parte delle stelle di una galassia sono contenute in una regione che dista mediamente 100.000 anni luce dal centro, queste misurazioni dimostrano che per un dato gruppo di galassie, i barioni più distanti possono trovarsi a circa 6 milioni di anni luce dal centro galattico.
Nonostante la materia barionica mancante sia semplice materia ordinaria, fatta di protoni e neutroni, è molto più difficile da rilevare della materia oscura che essendo molto più abbondante della normale materia è rilevabile attraverso l’osservazione degli effetti gravitazionali che esercita sulle galassie.
La materia oscura costituisce circa il 27% dell’universo; e l’energia oscura, responsabile dell’espansione accelerata dell’universo, costituisce circa il 68% dell’universo.
Come ha spiegato Emmanuel Schaan, Chamberlain Postdoctoral Fellow in Berkeley Lab’s Physics Divisione, l’universo osservabile è composto da una piccola parte della materia ordinaria, la maggior parte, la materia barionica mancante, si trova sotto forma di gas troppo debole e troppo diffuso per essere rilevato dai nostri attuali strumenti.
Schaan è l’autore principale di uno dei due articoli sui barioni mancanti, pubblicata il 15 marzo 2021 sulla rivista Physical Review D.
materia barionica mancante e lenti deboli
Per rilevare la materia barionica mancante i ricercatori hanno fatto ricorso all’effetto Sunyaev-Zel’dovich che spiega come gli elettroni CMB acquistino energia attraverso un processo di dispersione mentre interagiscono con i gas caldi che circondano gli ammassi galattici.
Le misurazioni, secondo Simone Ferraro, membro della divisione di fisica al Berkeley Lab, contengono molte informazioni cosmologiche sulla velocità con cui si muovono gli ammassi di galassie. e completeranno le misurazioni effettuate da altri osservatori rendendole ancora più precise.
Un team di ricercatori della Cornell University, composto dalla ricercatrice Stefania Amodeo, dal professor Nicholas Battaglia e dalla studentessa Emily Moser hanno guidato la modellazione e l’interpretazione delle misurazioni e ne hanno studiato le conseguenze per le lenti gravitazionali deboli e la formazione delle galassie.
Gli algoritmi, che i ricercatori hanno sviluppato, dovrebbero rivelarsi essenziali per analizzare i dati delle “lenti deboli” da esperimenti futuri ad alta precisione. I fenomeni di lente si verificano quando oggetti massicci come galassie e ammassi di galassie sono allineati con oggetti distanti che vengono distorti dagli effetti gravitazionali.
La lente debole è una delle principali tecniche che gli scienziati usano per comprendere l’origine e l’evoluzione dell’universo, della materia oscura e dell’energia oscura. Studiare la posizione e la distribuzione della materia barionica mancante sarà molto utile per ricavare nuovi dati.
