Misurata la quantità di materia presente nell’universo

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È possibile misurare la quantità di materia presente nel nostro universo? Dopo alcuni tentativi sembra che un gruppo di scienziati dell’Università della California, Riverside, ci sia riuscito.

In un rapporto apparso sull’Astrophysical Journal, il team ha stabilito che la normale materia, quella di cui è fatto tutto ciò che vediamo, e la materia oscura, costituiscono il 31% della quantità totale di materia presente nell’universo, il restante 69% è invece composto dalla misteriosa energia oscura, come ha spiegato il primo autore Mohamed Abdullah, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’UCR: “Per contestualizzare quella quantità di materia, se tutta la materia nell’universo fosse distribuita uniformemente nello spazio, corrisponderebbe a una densità di massa media pari a soli sei atomi di idrogeno per metro cubo. Tuttavia, poiché sappiamo che l’80% della materia è in realtà materia oscura, la maggior parte di questa materia non è costituita da atomi di idrogeno, ma piuttosto da un tipo di materia che i cosmologi non comprendono ancora”.

La materia che compone l’universo, o materia ordinaria, è solo una piccola parte di ciò che gli scienziati hanno misurato. Una parte di essa forma galassie, stelle, pianeti e esseri viventi ed è composta da atomi che a loro volta sono composti da particelle ancora più piccole, che formano un nucleo di neutroni e protoni attorno al quale ruotano gli elettroni. I neutroni e i protoni sono tenuti insieme dall’interazione forte, gli elettroni (che hanno carica elettrica negativa) sono legati ai protoni del nucleo (carica elettrica positiva) dalla forza elettromagnetica. Gli elettroni sono particelle fondamentali, mentre protoni e neutroni sono composti da particelle, per quanto ne sappiamo, elementari, i quark. Il protone è composto da 2 quark di tipo “up” e 1 di tipo “down”, il neutrone da 2 quark di tipo “down” e 1 di tipo “up”. L’interazione tra i quark è mediata dai gluoni, nome che deriva dall’inglese “glue” (colla).
La materia oscura, a differenza della materia ordinaria non emette radiazione elettromagnetica in nessuna banda di frequenza: proprio l’osservazione della radiazioni elettromagnetica ha consentito lo studio  della “materia ordinaria” che compone stelle, galassie, ammassi globulari, nubi interstellari, ecc.
La “materia oscura”  che interagisce gravitazionalmente come qualsiasi corpo con massa non nulla è stata evidenziata su distanze uguali o più grandi delle dimensioni tipiche di galassie attraverso gli effetti gravitazionali che essa esercita sulla “materia ordinaria”. Quindi, dal comportamento della “materia ordinaria” si è dedotto che la maggior parte della massa dell’Universo è “oscura”.
Abdullah ha spiegato che una tecnica ben collaudata per misurare la quantità totale di materia nell’universo è quella di confrontare il numero e la massa di ammassi di galassie per unità di volume con le previsioni di simulazioni numeriche. Poiché gli attuali ammassi di galassie sono composti da materia che è collassata per miliardi di anni sotto la sua stessa forza di gravità, il numero di ammassi osservati al momento è molto sensibile alle condizioni cosmologiche e, in particolare, alla quantità totale di materia.
Come Riccioli d’oro, il team ha confrontato il numero di ammassi di galassie che hanno misurato con le previsioni di simulazioni numeriche per determinare quale risposta fosse “giusta”. Credito: Mohamed Abdullah, UC Riverside.
Una percentuale più alta di materia si tradurrebbe in più cluster“, ha detto Abdullah. “La sfida” Riccioli d’oro “per il nostro team era misurare il numero di cluster e quindi determinare quale risposta fosse” giusta “. Ma è difficile misurare con precisione la massa di un ammasso di galassie perché la maggior parte della materia è scura, quindi non possiamo vederla con i telescopi “.
Per superare questa difficoltà, il team di astronomi guidato dall’UCR ha prima sviluppato ” GalWeight “, uno strumento cosmologico per misurare la massa di un ammasso galattico utilizzando le orbite delle galassie che lo compongono. I ricercatori hanno quindi applicato il loro strumento alle osservazioni dello Sloan Digital Sky Survey (SDSS) per creare “GalWCat19“, un catalogo di ammassi di galassie disponibile al pubblico. Infine, hanno confrontato il numero di ammassi nel loro nuovo catalogo con simulazioni per determinare la quantità totale di materia nell’universo.
Come ha spiegato il coautore Gillian Wilson, professore di fisica e astronomia presso l’UCR nel cui laboratorio Abdullah lavora: “Siamo riusciti a fare una delle misurazioni più precise mai effettuate utilizzando la tecnica degli ammassi di galassie. Inoltre, questo è il primo utilizzo della tecnica dell’orbita galattica che ha ottenuto un valore in accordo con quelli ottenuti dai team che hanno utilizzato tecniche non cluster come le anisotropie di fondo cosmiche a microonde, le oscillazioni acustiche barioniche, le supernove di tipo Ia o la lente gravitazionale”.
Mentre il coautore Anatoly Klypin, esperto di simulazioni numeriche e cosmologia ha aggiunto: “Un enorme vantaggio dell’utilizzo della nostra tecnica di orbita galattica GalWeight è stato che il nostro team è stato in grado di determinare la massa per ogni ammasso individualmente piuttosto che fare affidamento su metodi statistici più indiretti”.
Combinando le loro misurazioni con quelle degli altri team che hanno utilizzato tecniche diverse, il team guidato dall’UCR è stato in grado di determinare il miglior valore combinato, concludendo che la materia costituisce il 31,5 ± 1,3% della quantità totale di materia ed energia nell’universo.
Il documento di ricerca è intitolato “Cosmological Constraints on Ωm and σ8 from Cluster Abundances using the GalWCat19 Optical-Spectroscopic SDSS Catalog”.
Fonte: Phys.org

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