Indagare le proprietà delle galassie è fondamentale per scoprire la natura ancora sconosciuta delle forme dominanti di massa ed energia nell’Universo: materia oscura ed energia oscura.
La materia oscura risiede negli “aloni” che circondano le galassie e le informazioni sull’evoluzione di questa sostanza invisibile possono essere ottenute esaminando le galassie in un ampio intervallo di tempo cosmico. Ma l’osservazione di galassie lontane, quelle con spostamenti verso il rosso elevati, rappresenta una sfida per gli astronomi perché questi oggetti sembrano molto deboli.
Fortunatamente, c’è un altro modo per sondare la materia oscura attorno a tali galassie: attraverso l’impronta che lascia sullo schema delle fluttuazioni di temperatura del fondo cosmico a microonde (CMB) attraverso le lenti gravitazionali. Hironao Miyatake dell’Università di Nagoya, in Giappone, ed i suoi colleghi hanno ora utilizzato misurazioni con lensing gravitazionale, combinate con informazioni sulla distribuzione delle galassie nello spazio, per mappare la materia oscura attorno a galassie lontane con uno spostamento verso il rosso di circa 4. Riportano la prima analisi cosmologica utilizzando le galassie con un tale spostamento verso il rosso elevato.
Lo studio delle fluttuazioni CMB, osservate dal satellite Planck, ha consentito di vincolare con notevole precisione le proprietà dell’Universo. Da quando i fotoni CMB hanno iniziato a propagarsi, circa 13,5 miliardi di anni fa, l’Universo si è espanso mentre le galassie si sono formate e assemblandosi in strutture sempre più grandi. Negli ultimi miliardi di anni, l’energia oscura ha accelerato l’espansione. I modelli cosmologici che descrivono la fisica dell’Universo primordiale, tenendo conto dei vincoli posti dalle misurazioni CMB, predicono l’evoluzione della materia nel tempo. Pertanto, gli astronomi possono osservare la struttura su larga scala dell’Universo in tempi recenti e vedere quanto bene i dati supportano i modelli.
Gli astronomi hanno trovato qualcosa di molto interessante usando queste osservazioni per vincolare la cosmologia: risultati basati su dati di struttura su larga scala suggeriscono che la materia non si è aggregata tanto quanto indicano i dati CMB dal satellite Planck. Il grado di agglomerazione è quantificato dal parametro σ8, che è approssimativamente l’ampiezza delle fluttuazioni di densità. Non è chiaro se i diversi valori di σ8 derivati dai due tipi di dati riflettono effetti sistematici o meccanismi fisici sconosciuti. Ma determinare la distribuzione della materia nelle diverse epoche della storia cosmica potrebbe fornire un indizio.
Inoltre, la combinazione di diversi osservabili ha dimostrato di essere altamente efficace nel sondare la crescita delle strutture cosmiche. In particolare, il segnale del lensing gravitazionale della luce CMB è particolarmente adatto per studiare la struttura su larga scala dell’Universo a spostamenti verso il rosso superiori a 1, dove questo effetto di lensing è più forte e dove le galassie di fondo sono difficili da trovare.
Utilizzando i dati di Planck, Miyatake e colleghi hanno studiato le impronte lasciate dalle galassie ad alto spostamento verso il rosso sulla mappa del lensing CMB. Il team ha trovato un chiaro segnale di lente prodotto da circa 1,5 milioni di galassie ad alto spostamento verso il rosso note come galassie di rottura di Lyman (LBG) che sono state identificate nell’indagine del programma strategico Hyper Suprime-Cam Subaru.
I ricercatori hanno confrontato questo segnale di lensing con un modello della distribuzione della materia oscura intorno alle galassie che dipende da parametri come la massa media di un alone di materia oscura. In tal modo, hanno stabilito un vincolo sulla massa media dell’alone che è coerente con l’abbondanza tipica di materia oscura attorno a questi LBG.
Miyatake e colleghi hanno anche combinato il segnale correlato in modo incrociato del lensing CMB e delle posizioni degli LBG con il raggruppamento galassia-galassia di questi oggetti. Quella combinazione limita la misura in cui la materia si è diffusa e si è aggregata nell’Universo attraverso il parametro σ8. La squadra ha ottenuto un valore per σ8 che è leggermente inferiore a quello indicato dai soli dati Planck, rappresentando il primo vincolo su questo parametro utilizzando LBG con un redshift di circa 4. Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato la fattibilità dell’utilizzo di questa analisi per testare diversi modelli di energia oscura e per determinare i contributi della materia luminosa e oscura alla massa totale di questi LBG.
Diverse importanti fonti di errore sistematico potrebbero falsare queste stime. Tali fonti includono incertezze negli spostamenti verso il rosso LBG stimati e la contaminazione del segnale di lensing CMB dalle galassie di fondo e dallo sfondo cosmico a infrarossi, radiazione infrarossa emessa da galassie polverose che formano stelle. Il team ha effettuato diversi test per stimare l’impatto di questi errori, senza trovare prove di bias indotti.
Il lavoro di Miyatake e colleghi fornisce un messaggio molto rilevante: è possibile sondare la crescita delle strutture cosmiche quando l’Universo aveva solo un miliardo di anni o meno. Questo messaggio è tempestivo perché gli astronomi stanno passando alla prossima generazione di CMB e di rilievi strutturali su larga scala.
Esperimenti CMB ad alta risoluzione, compresi quelli dell’Osservatorio Simons in Cile e del CMB-S4 in Cile e al Polo Sud, effettueranno presto osservazioni multifrequenza, consentendo di ricostruire la mappa del lensing CMB con una precisione senza precedenti.
Nel frattempo, le indagini sulle galassie dell’Osservatorio Vera C. Rubin, sempre in Cile, e del telescopio spaziale Nancy Grace Roman forniranno eccezionali misurazioni LBG. L’analisi nella stessa direzione dello studio di Miyatake e colleghi consentirà agli astronomi di esplorare la crescita cosmica in un’epoca ancora oscura dell’Universo. Potenzialmente porrà forti vincoli al misterioso settore oscuro dell’Universo e aiuterà a decifrare la fonte della tensione σ8.
