Una domanda che spesso occupa i fisici è quanta materia c’è nell’universo? Una parte della materia la possiamo vedere e rilevare, ma che dire di tutto il resto? Un team di scienziati ha recentemente pubblicato un articolo su The Astrophysical Journal in cui afferma che la materia costituisce solo il 31% della quantità totale dell’universo. Cosa occupa il restante 69%? La sfuggente materia oscura (e l’energia oscura).
Il primo autore dello studio, il dottor Mohamed Abdullah, ricercatore presso l’Istituto nazionale di ricerca di astronomia e geofisica, in Egitto, ha condiviso in un comunicato stampa che i cosmologi ritengono che solo il 20% circa della materia totale nell’Universo è fatto di quella che considereresti materia regolare o “barionica”. Ciò include tutti gli atomi, le stelle e le galassie. E circa l’80% è costituito da materia oscura, che a questo punto è ancora teorica e potrebbe essere composta da alcune particelle subatomiche che dobbiamo ancora scoprire.
Il team del dottor Abdullah ha utilizzato il metodo Cluster Mass-Richness Relation (MRR) per stimare la composizione della materia. Questo è uno strumento per determinare la densità media della materia dell’universo utilizzando l’osservazione che gli ammassi galattici più massicci contengono più galassie rispetto agli ammassi meno massicci.
La massa totale di un ammasso può essere trovata indirettamente facendo una stima dal numero di galassie all’interno di ciascun ammasso. Confrontando il numero e la massa osservati degli ammassi di galassie per unità di volume con le previsioni delle simulazioni numeriche, i ricercatori possono stimare la quantità totale di materia nell’universo.
I risultati ottenuti dal team includono un miglioramento dell’imaging e sono i primi a utilizzare una tecnica di spettroscopia che suddivide la radiazione in uno spettro di bande individuali. Ciò aiuta a misurare con precisione la distanza tra ciascun ammasso e quali galassie membri si collegano ad esso.
Come misurare la materia che c’è nell’universo?
In un’intervista riportata da Interesting Engineering il ricercatore ha considerato l’ovvia questione di come possiamo conoscere la quantità di materia oscura e di energia oscura nell’universo se non riusciamo a rilevarle. Ha condiviso che in effetti non possiamo rilevare direttamente la materia oscura e l’energia oscura poiché “questi misteriosi componenti dell’universo non emettono, assorbono o interagiscono con la radiazione elettromagnetica (ad esempio luce visibile, onde radio o raggi X), che è il modo in cui tradizionalmente osserviamo e rileviamo la maggior parte della materia e dell’energia conosciute nell’universo”.
Il dottor Abdullah ha sottolineato che l’unico modo in cui siamo stati in grado di estrapolare l’esistenza e la composizione della materia oscura e dell’energia oscura è attraverso l’inferenza e le osservazioni indirette. Ha anche delineato i vari metodi e tecniche utilizzati dagli scienziati per studiare la materia oscura e l’energia oscura:
1. Effetti gravitazionali: il rilevamento della materia oscura può essere ottenuto indirettamente osservando la sua influenza gravitazionale sulla materia visibile. Un esempio di ciò è l’effetto osservato per cui le galassie e gli ammassi di galassie mostrano un’attrazione gravitazionale maggiore di quella che può essere spiegata solo dalla materia visibile. Si ritiene che la “massa mancante” che sembra essere spiegata dall’esistenza della materia oscura.
2. Lente gravitazionale: un altro modo per rilevare indirettamente la materia oscura prevede l’osservazione della deflessione della luce proveniente da oggetti distanti. Questo è il risultato dell’attrazione gravitazionale di una massa invisibile, come la materia oscura.
3. Strutture su larga scala: l’esistenza e la distribuzione della materia oscura sono state dedotte dalla distribuzione delle galassie e degli ammassi di galassie nell’universo, poiché questa è influenzata dall’attrazione gravitazionale della materia oscura.
4. Supernova: poiché si sostiene che l’espansione accelerata dell’universo può essere attribuita all’energia oscura, osservare le supernovae distanti può aiutarci a studiarne gli effetti. Se si confronta la luminosità osservata delle supernovae lontane con la luminosità prevista in base al loro spostamento verso il rosso, diventa chiaro, secondo il ricercatore, che l’energia oscura gioca un ruolo in questo.
Il dottor Abdullah ha anche osservato che i metodi da lui descritti “implicano una combinazione di modelli teorici e dati osservativi per fare inferenze sulla materia oscura e sull’energia oscura” e sono aumentati durante la ricerca da “simulazioni al computer e modelli matematici per testare vari scenari e conciliare i loro risultati”.
La metodologia del team
Il dottor Abdullah ha descritto in maggiore dettaglio il particolare approccio adottato dal suo team per stimare la quantità di materia nell’Universo, inclusa la materia ordinaria (atomi, polvere, gas e simili) e la materia oscura:
“L’Universo è iniziato con una certa quantità di materia“, ha spiegato il dottor Abdullah. “Questa materia si aggrega in galassie==> ammassi di galassie a causa della forza gravitazionale. Gli ammassi sono costituiti sia dalla materia oscura che dalla materia ordinaria che conosciamo. Aumentare la quantità di materia nell’Universo aumenterebbe il numero degli ammassi formati nell’universo e la massa di ciascun ammasso”.
“Un universo con una piccola quantità di materia creerebbe meno ammassi di un universo con una grande quantità di materia. Allo stesso tempo, un universo con una piccola quantità di materia creerebbe ammassi con masse inferiori rispetto a un universo con una grande quantità di materia. Usando questo concetto possiamo tracciare la massa degli ammassi sull’asse x e il numero di ammassi per volume (densità = numero di ammassi nel volume dell’universo) sull’asse y. Questa relazione è chiamata funzione di massa del cluster“.
“Questa relazione dice quanti ammassi con una certa massa sono stati creati in questo universo. Ad esempio, supponiamo di aver trovato 103 ammassi con masse 1014 Msun [massa solare] e di aver trovato 102 ammassi con masse 1015 Msun. L’integrazione di questo grafico fornisce la quantità totale di materia nell’universo”.
Seguendo questa tecnica, i due compiti principali dei ricercatori erano identificare gli ammassi nel nostro universo e misurare la massa in ciascun ammasso, compresa sia la materia oscura che la materia ordinaria. Avere misurazioni accurate consentirebbe loro di calcolare la quantità totale di materia presente nell’universo.
Il dottor Abdullah ha condiviso che esistono molti metodi per aiutare a contare gli ammassi basati sulla ricerca di posizioni ad alta densità all’interno dell’universo, dove le galassie si aggregano.
Per raggiungere il secondo obiettivo, i ricercatori sono stati in grado di stimare la quantità totale di materia o massa di ciascun ammasso dal numero di galassie membri presenti in ciascuno di essi. Il dottor Abdullah ha spiegato che esiste “una forte relazione tra la massa del cluster e il numero di membri (noi lo chiamiamo ricchezza = numero di membri)”. Questa relazione è chiamata relazione Mass-Rchness (MRR).
Importanza della spettroscopia
Un altro aspetto importante del lavoro del team è stato l’utilizzo della spettroscopia. Come ha spiegato il dottor Abdullah, “la spettroscopia è molto importante perché aiuta a misurare le distanze delle galassie (quindi a trovare le posizioni dei gruppi di galassie == ammassi) per identificare (e contare) l’ammasso nell’universo”.
Ha spiegato che un altro modo di vedere la cosa è che, quando guardi il cielo, vedi le stelle e le galassie “proiettate nel cielo”. Non possiamo vedere la terza dimensione, mentre “la spettroscopia ci permette di avere questa terza dimensione”.
Senza l’uso della spettroscopia, gli scienziati probabilmente conterebbero il numero di ammassi nell’universo in modo errato, ha avvertito il ricercatore. Ciò porterebbe a conteggi imprecisi del numero di galassie membri (ricchezza) e a una stima errata della massa dell’ammasso, non consentendo loro di elaborare quella che considerano la misura corretta per la quantità totale di materia nell’universo.
