Risolto il problema della materia barionica mancante4 min di lettura

L’universo, per quanto ne sappiamo oggi, è fatto di energia oscura (circa 68%), materia oscura (circa 27%), materia barionica (circa 5%), e un pizzico di radiazione elettromagnetica (cioè luce).

Dell’energia oscura sappiamo pochissimo, della materia oscura poco; la materia barionica invece è la materia di cui siamo fatti noi, le stelle e le galassie, ovvero tutto ciò che emette radiazioni elettromagnetiche.

Però, almeno fino a qualche giorno fa, di quel 5% di materia barionica presente nell’universo ne avevamo osservato soltanto circa il 70%. Il problema infatti è osservare questi barioni mancanti, più che capire dove si trovino.

Insomma, fino a qualche giorno fa avevamo tra le mani una grossa rogna.

Oggi invece, come vedremo in questo post, possiamo dire che un altro mistero dell’universo è stato risolto grazie al metodo scientifico. Ma tranquilli: ora ci arriviamo con calma, partiamo dall’inizio.

Ma esattamente, che cosa sono i barioni?

La materia barionica, cioè quella di cui siamo fatti, è composta da barioni.

I barioni sono particelle fatte da un certo numero di quark, che sono altre particelle fondamentali nell’universo. Senza entrare nei dettagli della nomenclatura, sappiate che i protoni e i neutroni sono barioni perché sono composti di tre quark.

La discrepanza

Come si fa a stimare la quantità di materia barionica nell’universo? Partiamo dalla teoria del Big Bang, la teoria che usiamo per descrivere l’universo e di cui abbiamo le prove della validità. Secondo la teoria del Big Bang, a un certo punto della storia dell’universo si sono formati i primi nuclei atomici degli elementi più leggeri. I nuclei atomici sono fatti di protoni e neutroni. Quindi più barioni ci sono nell’universo, più protoni e neutroni ci sono nell’universo, più nuclei atomici si formano.

Perciò, se otteniamo dalla teoria del Big Bang una stima per le abbondanze dei nuclei atomici, di conseguenza otteniamo una stima per l’abbondanza di materia barionica intorno al 5% di tutto ciò che c’è nell’universo.

La stessa percentuale torna anche con i dati della radiazione cosmica di fondo.

E le osservazioni? Qua iniziano i problemi. Il punto è che per osservare qualcosa che c’è in giro nell’universo dobbiamo osservarne qualche effetto. Per esempio, assorbimento ed emissione di radiazioni elettromagnetiche.

Il meccanismo in gioco è il seguente: una qualche galassia lontana (per esempio un quasar) emette luce; questa luce, per arrivare a noi sulla Terra, attraversa un sacco di gas nell’universo. Questo gas presente tra il quasar e noi assorbe la luce del quasar e genera delle righe scure in corrispondenza della frequenza di luce assorbita.

Forse un disegno come quello qui sotto è più chiaro per capire che cosa succede tra quasar e gas.

In realtà, il disegno mostra come funziona la faccenda per il telescopio Hubble: a noi non interessa Hubble qui, ma comunque rende l’idea.

 

Tutto questo assorbimento di luce, cioè tutte quelle righe scure, ci permettono di stimare quanto gas c’è nell’universo, ovvero quanti barioni ci sono sotto forma di gas sparso in giro nell’universo.

Sebbene geniale, in questo modo si arriva a osservare circa il 70% di tutta la materia barionica che stimiamo essere nell’universo. E il resto?

Quando il gioco si fa duro, ci vogliono i raggi X

Il problema è che può esserci della materia barionica che non emette luce nell’intervallo di frequenza a cui siamo abituati di solito e che quindi diventa altamente difficile da osservare. Infatti, se nessuno si è mai seriamente disperato riguardo al problema è perché si è pensato spesso a una soluzione della discrepanza di tipo osservativo. Cioè, non troviamo la materia barionica mancante perché è difficile osservarla.

In particolare, si è sempre pensato che questa materia barionica mancante fosse parte di filamenti di gas caldo che si trovano tra le galassie nell’universo. Perché si pensava a ciò? Perché in questi filamenti l’idrogeno è ionizzato, cioè non ha l’elettrone che gli ronza attorno. Un atomo di idrogeno senza elettrone vuol dire che viene identificato con fatica, visto che l’elettrone non c’è allora per forza di cose non ci sarà emissione di luce per qualche meccanismo atomico.

E allora bisogna inventarsi qualche altra cosa. Per esempio guardare ad altri atomi presenti in questi filamenti di gas caldo. Il problema in questo caso è che gli atomi sono quelli di ossigeno e carbonio in particolari configurazioni. Per riuscire a beccare questi atomi che in sostanza tracciano la presenza di altro gas (cioè l’idrogeno) bisogna andare a guardare i filamenti con un telescopio a raggi X.

Anche per questo scopo (ma non solo!) sono venti anni che gli astrofisici puntano telescopi a raggi X verso quasar lontani. E sono venti anni che i risultati non sono proprio significativi.

Beh, almeno fino a quest’anno: infatti il 21 giugno 2018 una squadra di astrofisici guidati da Fabrizio Nicastro ha pubblicato un articolo su Nature dove presentano i risultati delle loro ricerche e sapete cosa? Hanno beccato i filamenti di gas caldo misurando le righe scure nello spettro dei raggi X.

Per beccare i filamenti, gli astrofisici hanno puntato, tra il 2015 e il 2017, il telescopio ESA XMM-Newton, un telescopio che osserva i raggi X, verso il quasar 1ES 1553+113. I dati raccolti sono stati sufficienti per scovare il debole segnale dei filamenti di gas: praticamente dai dati del telescopio XMM-Newton è venuta fuori una mappa dei filamenti presenti tra noi e il quasar studiato. Dal confronto tra il segnale osservato e il modello teorico che dovrebbe spiegare gli assorbimenti è saltato fuori che le cose tornano con un buon livello di significatività (circa 3 a circa 5 sigma, cioè una probabilità molto bassa che quel segnale osservato non sia dovuto all’assorbimento del gas dei filamenti nell’universo).

Confronto tra dati (punti neri e rossi) e modello teorico (curva a tratti rossi) del segnale di assorbimento della luce del quasar da parte del gas nei filamenti. Tratto dall’articolo su Nature di Nicastro et al.
Sicuri siano i barioni mancanti?

Questa è una domanda che, naturalmente, gli autori della ricerca si sono posti. Faccio un esempio su tutti: noi sappiamo che c’è del gas nelle galassie, e quindi magari è stata qualche galassia piena di gas ad assorbire la luce del quasar e a creare le righe scure di assorbimento nei raggi X.

Potrebbe essere. Però, nell’articolo su Nature, Nicastro e i suoi collaboratori precisano che, se così fosse, allora si dovrebbero vedere anche altri dettagli nello spettro di assorbimento dei raggi X che però, nelle osservazioni di Nicastro e collaboratori, non si osservano.

Non scrivo questa cosa per seminare il dubbio, anzi. Scrivo tutto ciò perché fa semplicemente parte del modo in cui opera la scienza: verificare ciò che sembrano dirci i dati osservati (e se volete, nell’articolo su Nature trovate tutti i dettagli riguardo anche a diverse altre possibilità).

A quanto pare il metodo scientifico ha colpito ancora. Ci sono voluti venti anni, ma la pazienza nella scienza paga sempre come potete vedere.

 

Link all’articolo su Nature

 

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