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5 minuti di letturaC’è (di nuovo) qualcosa che non torna con la materia oscura

Sono circa cento anni che abbiamo a che fare con la materia oscura e credo che ci sia solo una cosa che possiamo dire con certezza: non ci abbiamo capito proprio niente.

Se siete lettori abituali di questo blog conoscete già bene la storia. Tutto iniziò nel 1937 con l’astronomo Fritz Zwicky e la velocità di alcune galassie nell’ammasso di galassie della Chioma.

Poi si proseguì nel 1970 con l’astrofisica Vera Rubin che trova velocità che non tornano per quanto riguarda le stelle nelle galassie a spirale.

Infine i dati della radiazione cosmica di fondo forniscono tuttora una straordinaria evidenza per un modello teorico basato sul fatto che l’85% della materia presente nell’universo è proprio materia oscura.

Inoltre, tante cose al momento non tornano: per esempio la stima della costante di Hubble e della curvatura dell’universo. Ma anche problemi strettamente legati alla sola materia oscura: ci sono dati che sembrano addirittura suggerire che potremmo farne a meno, bah.

E invece, colpo di scena, la ricerca di cui vi parlo oggi dice che forse la materia oscura nell’universo è più di quella stimata. Oppure, forse più semplicemente senza scomodare e sconquassare le altre evidenze scientifiche a disposizione, non abbiamo capito come funziona la materia oscura.

Che cosa sappiamo sulla materia oscura?

Della materia oscura sappiamo solo una cosa: deve essere un tipo di materia, cioè fatta di particelle, che interagisce solo tramite la gravità.

La materia oscura non emette o assorbe onde elettromagnetiche (cioè luce) e non interagisce con tutte le particelle conosciute se non tramite la propria massa, cioè gravitazionalmente secondo la teoria della relatività generale. Sappiamo pochino, eh già.

Ma il fatto che la materia oscura segua le regole della gravità è comunque utile.

Per esempio, Zwicky e Rubin videro rispettivamente galassie e stelle che andavano più veloci del previsto; questo perché se negli ammassi di galassie e nelle singole galassie c’è pure la materia oscura, allora la massa del singolo ammasso o della singola galassia deve essere maggiore di quella che possiamo stimare solo contando le galassie dentro l’ammasso o le stelle dentro la galassia.

Quindi, una massa maggiore vuol dire una gravità maggiore, cioè robe che cadono più velocemente. In questo modo possiamo stimare indirettamente, a partire dalla velocità di stelle e galassie, quanta materia oscura c’è nell’universo.

Le lenti gravitazionali per osservare la materia oscura

Non solo: la teoria della relatività ci dice che qualsiasi massa curva lo spaziotempo. Questo fatto ha numerose implicazioni, ma la conseguenza di cui vi voglio parlare oggi è la formazione delle lenti gravitazionali. Il primo che ebbe l’idea di studiare la materia oscura con le lenti gravitazionali fu proprio Fritz Zwicky.

Ma vediamo per bene che succede e come si formano le lenti gravitazionali. Dunque, se voi avete una candela lontana e la guardate attraverso un calice di vino accade che vedrete l’immagine della candela distorta.

Il motivo è che la luce della candela passa dall’aria attraverso il vetro prima di arrivare ai vostri occhi. Il vetro ha una densità diversa rispetto all’aria e la luce quindi incontra molti più atomi ed è costretta a modificare la propria traiettoria e la propria velocità.

Inoltre, più pieghiamo il bicchiere, maggiore sarà la distorsione: questo perché maggiore è la quantità di vetro da attraversare, maggiore sarà l’effetto di lente.

Una cosa simile accade anche con la massa nell’universo. Se abbiamo una galassia lontana e la guardiamo attraverso un ammasso di galassie che sta in mezzo come il calice di vino dell’esempio precedente, si ha un effetto di lente. Ciò che accade è che l’ammasso che sta in mezzo distorce lo spazio tempo e la luce della galassia lontana non viaggia più in linea retta ma è costretta a curvare.

Così noi vediamo la galassia lontana in una posizione apparente rispetto a quella vera. Inoltre la sua immagine sarà distorta come quella della candela vista attraverso il bicchiere. Maggiore sarà la massa dell’ammasso, maggiore sarà la distorsione.

Dunque per stimare la quantità di materia oscura presente nell’ammasso che funge da lente cosmica, studiamo gli effetti di distorsione presenti sulle galassie lontane: questo è ciò di cui si parla quando leggete di lenti gravitazionali (o, in inglese, gravitational lensing).

Ci sono anche effetti più subdoli, effetti che devono essere tenuti in conto e di cui mi sono anche occupato personalmente quando facevo ricerca – ma non ne discuto qui, chi volesse approfondire può leggere qua  oppure dare uno sguardo qua.

I dati recenti del lensing non tornano con le simulazioni teoriche

Bene, dopo tutta questa premessa doverosa, veniamo al nòcciolo di questo post di oggi.

Un articolo con primo autore l’astrofisico Massimo Meneghetti dell’INAF di Bologna ha mostrato un singolare comportamento dovuto al lensing gravitazionale osservato con i dati raccolti dallo Hubble Space Telescope e dal Very Large Telescope in Cile.

Sono stati trovati tre ammassi di galassie, nella fattispecie quelli chiamati MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 e Abell S1063, che formano lensing gravitazionale e fin qui tutto bene. Però gli effetti di lensing gravitazionale prodotti da questi tre ammassi sono circa 10 volte maggiori di quelli previsti teoricamente attraverso le simulazioni numeriche con i supercomputer. Come mai?

I tre ammassi di galassie che non fanno tornare i conti (Crediti: HST, VLT)

La prima cosa che gli astrofisici coinvolti e le astrofisiche coinvolte nello studio hanno fatto è stato controllare che non ci fossero errori nelle simulazioni. Fatto questo check, ora bisogna capire che sta succedendo.

Ci sono diverse ipotesi. Può darsi che ci stiamo perdendo dei pezzi teorici su come sono fatte le galassie, può darsi che materia ordinaria e materia oscura interagiscano in un modo a noi al momento sconosciuto. Oppure può darsi che il fatto di essere totalmente ignoranti su che cosa sia la materia oscura è un fattore determinante per la nostra comprensione di ciò che succede.

E ora?

Tutte le ipotesi che ho appena elencato sono plausibili. Ma questo lo sapevamo già, anche prima di quest’ultimo studio. Il lavoro di Meneghetti et al. però potrebbe indicare una via ulteriore. Bisogna capire come teoricamente le simulazioni possano essere in grado di riprodurre i dati di HST e VLT.

Fino a quel momento è tutto plausibile, certo, ma teniamo sempre bene a mente che solo da poco tempo siamo in grado di studiare così in dettaglio le caratteristiche di questa sconosciuta materia oscura.

Ogni volta ne capiamo un pezzettino in più, prima o poi saremo in grado di mettere tutto insieme e magari avere un quadro globale più chiaro e meno oscuro.

Quando ci sono cose che non tornano è sempre una cosa positiva. Perché così possiamo porci nuove domande a cui non avevamo pensato prima sulla materia oscura, quindi possiamo magari esplorare nuove strade per capirci davvero qualcosa.

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Fonte

— Articolo An excess of small-scale gravitational lenses observedin galaxy clusters di Massimo Meneghetti, Guido Davoli, Pietro Bergamini, Piero Rosati, Priyamvada Natarajan, Carlo Giocoli, Gabriel B. Caminha, R. Benton Metcalf, Elena Rasia, Stefano Borgani, Francesco Calura, Claudio Grillo, Amata Mercurio, Eros Vanzella.

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