Abbiamo un nuovo problema con la materia oscura?3 min di lettura

Secondo il modello LCDM, quello che descrive molto bene come è fatto l’universo in cui viviamo, l’universo è composto per il 68% di energia oscura, il 27% di materia oscura, il 5% di materia barionica (di cui siamo fatti noi e tutto ciò che vediamo), un po’ di radiazione luminosa.
Poi però ci sono un po’ di osservazioni che sembrano andare contro questo modello.

Gli astrofisici e il modello LCDM, in breve, a volte, ma anche spesso.

Per esempio, ci sono delle osservazioni recenti riguardo la materia oscura che sembrano essere non previste dalle simulazioni numeriche basate sul modello LCDM.

Per chi volesse approfondire, consiglio di ascoltare questa puntata del podcast Parsec, in cui ne parlo. Cliccate Play qui sotto per ascoltarla.

15. Guai per la materia oscura?

 

Per chi preferisce leggere, il problema è il seguente: se si prende un supercomputer, si scrive un codice numerico in grado di riprodurre tutti i calcoli del modello LCDM e si osserva che cosa viene fuori, ecco che viene fuori che attorno a galassie grandi, le galassie satelliti più piccole si distribuiscono spazialmente attorno in maniera casuale. Questo ci dicono le simulazioni numeriche.

Alcune dati fanno però vedere che attorno alla nostra Via Lattea, attorno alla vicina galassia di Andromeda e attorno alla un po’ più lontana galassia Centaurus A le galassie satelliti si distribuiscono su di un piano, cioè niente affatto casualmente.

Come si spiega questa discrepanza tra le previsioni delle simulazioni e i dati osservativi? Ecco, questo è il punto.

L’immagine qui sopra è tratta da un articolo di Marcel S. Pawlowski, il quale ha scritto un articolo di review sull’argomento. Si vedono le tre galassie che vi ho nominato al centro di ogni piccolo grafico e tutt’intorno le galassie satelliti. Come vedete, sono tutte praticamente distribuite su una fascia.

Questa cosa si era già vista in passato per la Via Lattea e Andromeda. Ma la cosa era stata messa da parte, forse giustamente, dicendo che dalle simulazioni comunque si può calcolare che la probabilità di avere tale situazione è molto piccola ma non nulla. Cioè, è raro avere le galassie satelliti distribuite su un piano, ma tutto sommato le simulazioni dicono che può accadere anche in un universo che funziona con il modello LCDM. Tutto questo, per esempio, è raccontato in questo articolo scientifico (tra i cui autori c’è un certo Carlos S. Frenk, di cui, siatene certi, un giorno parleremo di nuovo, o qui o su Quantizzando). E poi, la Via Lattea e Andromeda sono galassie vicine di casa, quindi tutto sommato se una ha le galassie satelliti su di un piano, allora non è poi così assurdo vedere che anche l’altra mostra lo stesso effetto (del resto le due galassie “danzano” gravitazionalmente).

Però, ora che sappiamo che anche Centaurus A mostra lo stesso effetto, beh, le cose cambiano. Perché se avere due galassie con questo effetto era una cosa rara, averne tre è ancora più raro. Servono più osservazioni, studiare più galassie e fare una statistica migliore. Questo potenzialmente potrebbe essere un grosso problema per il modello LCDM e nel resto di questa newsletter vorrei raccontarvi cosa vuol dire fare questa affermazione.

Il modello LCDM è quello che tutti gli astrofisici al momento accettano come buono per descrivere l’universo perché ci sono delle ottime ragioni per farlo. Il modello LCDM è in grado di riprodurre davvero molto bene i dati della radiazione cosmica di fondo, della distribuzione delle galassie su grande scala, l’espansione accelerata dell’universo, le abbondanze dei primi nuclei atomici che si sono formati subito dopo il Big Bang.

Ma, come tutti sanno e come riporta anche Pawlowski nella sua review, il fatto di riprodurre per bene tutto ciò non dimostra che il modello LCDM sia la teoria corretta per descrivere l’universo. Basta anche solo un’osservazione per rimettere tutto in gioco. Questa cosa è alla base del metodo scientifico: con le osservazioni e gli esperimenti verifichiamo se una teoria non è sbagliata, ma non potremo mai dire se è esatta. In fondo, si tratta pur sempre di teorie, idee umane sviluppate nel tentativo di spiegare come funziona l’universo. Non deve stupire il fatto che siamo di fronte a un processo che ci permette di capire le cose andando avanti a forza di dubbi.

Ora, il modello LCDM è molto bello e semplice da analizzare quando si vogliono studiare le cose che accadono nell’universo su scale molto ma molto grandi. Quando però si va nel piccolo, quando si entra nei condomini dell’universo, cioè su scale dell’ordine delle dimensioni delle galassie, ecco che il modello LCDM diventa più complicato da maneggiare. Per riuscire a essere padroni della teoria anche in questi contesti, ecco che ci vengono incontro le simulazioni numeriche (tipo questa).

Questo è un esempio di simulazione numerica dell’universo.

Si fa così: si parte con l’universo giovanissimo, quando le galassie non c’erano e tutto era più semplice. Le strutture che osserviamo oggi non si erano ancora formate e tutto era molto omogeno e isotropo come sembra indicarci (direttamente e non) la radiazione cosmica di fondo.

Partendo da questa situazione idilliaca, cioè partendo da queste condizioni iniziali, si scrive un codice numerico in grado di risolvere le equazioni del modello LCDM e di fare evolvere queste soluzioni nel tempo, fino ad arrivare ai giorni nostri.  Quello che viene fuori, poi, si confronta con l’universo reale. Da questo confronto vengono fuori le magagne come quella delle galassie satelliti e, praticamente sempre, la colpa è della materia oscura o dell’energia oscura.

Tutto ciò, come fa notare ancora una volta giustamente Pawlowski nella review, ci ricorda anche una cosa importante: con le simulazioni non è il modello LCDM in sé che viene testato, piuttosto una realizzazione di tale modello attraverso le simulazioni (sembra una supercazzola prematurata, ma è proprio così, ne riparleremo presto; se volete un punto di partenza, allora leggete questo vecchio articolo su Quantizzando).

Il problema dei piani di galassie satelliti è un problema per la cosmologia e l’astrofisica contemporanee. Serviranno nuovi dati, ci saranno nuove simulazioni, spunteranno fuori nuove teorie. La scienza va avanti grazie ai dubbi, e nuovi dubbi per fortuna non mancano mai agli scienziati. Diffidate sempre da chi vi racconta che la scienza è sinonimo di verità: la scienza serve a capire, ma si può capire qualcosa solo quando ci si fa qualche domanda.

 

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