Scienza & Tecnologia

Ingrediente mancante nelle teorie sulla materia oscura

I nuovi dati di Hubble suggeriscono che manca un ingrediente nelle attuali teorie sulla materia oscura

Le osservazioni del telescopio spaziale Hubble della NASA / ESA e del Very Large Telescope (VLT) dell’European Southern Observatory in Cile hanno scoperto che potrebbe mancare qualcosa nelle teorie su come si comporta la materia oscura. Questo ingrediente mancante potrebbe spiegare perché i ricercatori hanno scoperto una discrepanza inaspettata tra le osservazioni delle concentrazioni di materia oscura in un campione di massicci ammassi di galassie e le simulazioni teoriche al computer di come la materia oscura dovrebbe essere distribuita in ammassi. I nuovi risultati indicano che alcune concentrazioni su piccola scala di materia oscura producono effetti di lente che sono 10 volte più forti del previsto.

La materia oscura è la colla invisibile che tiene insieme stelle, polvere e gas in una galassia. Questa misteriosa sostanza costituisce la maggior parte della massa di una galassia e costituisce il fondamento della struttura su larga scala del nostro universo. Poiché la materia oscura non emette, assorbe o riflette la luce, la sua presenza è nota solo attraverso la sua attrazione gravitazionale sulla materia visibile nello spazio. Astronomi e fisici stanno ancora cercando di definire cosa sia.

Gli ammassi galattici, le strutture più massicce e recentemente assemblate nell’Universo, sono anche i più grandi depositi di materia oscura. Gli ammassi sono composti da singole galassie membri che sono tenute insieme in gran parte dalla gravità della materia oscura.

“Gli ammassi galattici sono laboratori ideali in cui studiare se le simulazioni numeriche dell’Universo attualmente disponibili riproducano bene ciò che possiamo dedurre dalle lenti gravitazionali”, ha detto Massimo Meneghetti dell’INAF-Osservatorio di Astrofisica e Scienze Spaziali di Bologna in Italia, l’autore principale dello studio.

“Abbiamo fatto molti test sui dati in questo studio e siamo sicuri che questa discrepanza indica che qualche ingrediente fisico manca dalle simulazioni o dalla nostra comprensione della natura della materia oscura”, ha aggiunto Meneghetti.

“C’è una caratteristica dell’universo reale che semplicemente non catturiamo nei nostri attuali modelli teorici”, ha aggiunto Priyamvada Natarajan della Yale University nel Connecticut, USA, uno dei teorici senior del team. “Questo potrebbe segnalare una lacuna nella nostra attuale comprensione della natura della materia oscura e delle sue proprietà, poiché questi dati squisiti ci hanno permesso di sondare la distribuzione dettagliata della materia oscura su scale più piccole”.

La distribuzione della materia oscura in ammassi viene mappata misurando la flessione della luce – l’effetto di lente gravitazionale – che producono. La gravità della materia oscura concentrata negli ammassi ingrandisce e deforma la luce proveniente da oggetti sullo sfondo distanti. Questo effetto produce distorsioni nelle forme delle galassie di sfondo che appaiono nelle immagini degli ammassi. La lente gravitazionale spesso può anche produrre più immagini della stessa galassia lontana.

Maggiore è la concentrazione di materia oscura in un ammasso, più drammatico è il suo effetto di curvatura della luce. La presenza di ammassi di materia oscura su scala più piccola associati a singole galassie a grappolo aumenta il livello di distorsione. In un certo senso, l’ammasso galattico agisce come una lente su larga scala che ha molte lenti più piccole incorporate al suo interno.

Le immagini nitide di Hubble sono state scattate dalla Wide Field Camera 3 e dalla Advanced Camera for Surveys del telescopio. Insieme agli spettri del Very Large Telescope (VLT) dell’European Southern Observatory, il team ha prodotto una mappa della materia oscura accurata e ad alta fedeltà. Misurando le distorsioni delle lenti gli astronomi potrebbero tracciare la quantità e la distribuzione della materia oscura. I tre principali ammassi di galassie, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 e Abell S1063, facevano parte di due indagini Hubble: The Frontier Fields e Cluster Lensing And Supernova Survey with Hubble (CLASH).

Con sorpresa del team, oltre agli archi drammatici e alle caratteristiche allungate di galassie lontane prodotte dalle lenti gravitazionali di ogni ammasso, le immagini di Hubble hanno anche rivelato un numero inaspettato di archi su scala ridotta e immagini distorte nidificate vicino al nucleo di ogni ammasso, dove la più massiccia risiedono galassie. I ricercatori ritengono che le lenti annidate siano prodotte dalla gravità di concentrazioni dense di materia all’interno delle singole galassie a grappolo. Le osservazioni spettroscopiche di follow-up hanno misurato la velocità delle stelle in orbita all’interno di molte delle galassie a grappolo per fissare le loro masse.

“I dati di Hubble e del VLT hanno fornito un’eccellente sinergia”, ha condiviso il membro del team Piero Rosati dell’Università degli Studi di Ferrara in Italia, che ha guidato la campagna spettroscopica. “Siamo stati in grado di associare le galassie a ciascun ammasso e stimare le loro distanze”.

“La velocità delle stelle ci ha fornito una stima della massa di ogni singola galassia, inclusa la quantità di materia oscura”, ha aggiunto il membro del team Pietro Bergamini dell’INAF-Observatory of Astrophysics and Space Science a Bologna, Italia.

Combinando l’imaging Hubble e la spettroscopia VLT, gli astronomi sono stati in grado di identificare dozzine di galassie di sfondo con immagini multiple e con lenti. Ciò ha permesso loro di assemblare una mappa ben calibrata e ad alta risoluzione della distribuzione di massa della materia oscura in ciascun ammasso.

Il team ha confrontato le mappe della materia oscura con campioni di ammassi di galassie simulati con masse simili, situati all’incirca alle stesse distanze. Gli ammassi nel modello computerizzato non mostravano lo stesso livello di concentrazione di materia oscura sulle scale più piccole, le scale associate alle singole galassie a grappolo.

“I risultati di queste analisi dimostrano ulteriormente come le osservazioni e le simulazioni numeriche vadano di pari passo”, ha detto Elena Rasia, membro del team dell’INAF-Osservatorio Astronomico di Trieste, Italia.

“Con simulazioni ad alta risoluzione, possiamo eguagliare la qualità delle osservazioni analizzate nel nostro articolo, consentendo confronti dettagliati come mai prima”, ha aggiunto Stefano Borgani dell’Università degli Studi di Trieste, Italia.

Gli astronomi, compresi quelli di questa squadra, non vedono l’ora di continuare a sondare la materia oscura ei suoi misteri per individuarne finalmente la natura.

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