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Rilevata la materia oscura in piccoli agglomerati

14 gennaio 2020
Usando il telescopio spaziale Hubble della NASA e una nuova tecnica di osservazione, gli astronomi hanno scoperto che la materia oscura forma grumi molto più piccoli di quelli precedentemente noti.

Usando il telescopio spaziale Hubble della NASA e una nuova tecnica di osservazione, gli astronomi hanno scoperto che la materia oscura forma grumi molto più piccoli di quelli precedentemente noti. Questo risultato conferma una delle predizioni fondamentali della teoria ampiamente accettata: la "materia oscura fredda".
Tutte le galassie, secondo questa teoria, formano e sono incorporate in nuvole di materia oscura. La stessa materia oscura è costituita da particelle lente o "fredde" (in questo contesto, "freddo" è riferito alla velocità delle particelle) che si uniscono per formare strutture che vanno da centinaia di migliaia di volte la massa della galassia della Via Lattea a blocchi non più massicci del peso di un aereo di linea. La materia oscura è una forma invisibile di materia che costituisce la maggior parte della massa dell'universo e crea l'impalcatura su cui sono costruite le galassie. Sebbene gli astronomi non possano vedere la materia oscura, possono rilevare indirettamente la sua presenza misurando il modo in cui la sua gravità influenza le stelle e le galassie. Ma identificare le piccole formazioni di materia oscura con la ricerca di stelle inglobate al loro interno può essere molto difficile se non impossibile perché le stelle in esse contenute sono pochissime.
Mentre le concentrazioni di materia oscura sono state rilevate attorno a galassie di grandi e medie dimensioni, finora non sono stati trovati grumi molto più piccoli di materia oscura. In assenza di prove osservate per tali blocchi su piccola scala, alcuni ricercatori hanno sviluppato teorie alternative, tra cui la "materia oscura calda". Ma questa idea suggerisce che le particelle di materia oscura si debbano muovere rapidamente, sfrecciando troppo veloci per riuscire a fondersi e formare concentrazioni più piccole. E le nuove osservazioni non supportano questo scenario: si è scoperto che la materia oscura è "più fredda" di quanto dovrebbe essere nella teoria alternativa della materia oscura calda.
La ricerca di concentrazioni di materia oscura prive di stelle si è rivelata molto impegnativa. Il team di ricerca di Hubble, tuttavia, ha usato una tecnica in cui non era necessario cercare l'influenza gravitazionale delle stelle come traccianti della materia oscura. Il team ha preso di mira otto "lampioni" cosmici potenti e distanti, chiamati quasar (regioni attorno a buchi neri attivi che emettono enormi quantità di luce). Gli astronomi hanno misurato il modo in cui la luce emessa dall'ossigeno e dai gas al neon in orbita attorno a ciascuno dei buchi neri dei quasar è deformata dalla gravità di un'enorme galassia in primo piano, che funge da lente d'ingrandimento. Usando questo metodo, il team ha scoperto i grumi di materia oscura lungo la linea di vista del telescopio fino ai quasar, così come dentro e intorno alle galassie che intervengono nelle lenti. Le concentrazioni di materia oscura rilevate da Hubble sono da 1/10.000 a 1/100.000 volte la massa dell'alone della materia oscura della Via Lattea. Molti di questi piccoli gruppi molto probabilmente non contengono nemmeno piccole galassie, e quindi sarebbe stato impossibile rilevare con il metodo tradizionale di ricerca di stelle inglobate. Le otto quasar e le galassie erano allineate in modo così preciso che l'effetto di deformazione, chiamato lente gravitazionale, produceva quattro immagini distorte di ogni quasar, un po’ come guardare gli specchi del luna park. Tali immagini quadruple di quasar sono rare a causa dell'allineamento quasi esatto necessario tra la galassia in primo piano e il quasar di sfondo. Ma i ricercatori avevano bisogno di più immagini per condurre un'analisi dettagliata.
La presenza di ammassi di materia oscura altera la luminosità e la posizione apparente di ogni immagine quasar distorta. Gli astronomi hanno confrontato queste misurazioni con le previsioni di come sarebbero state visualizzate le immagini quasar senza l'influenza della materia oscura. I ricercatori hanno utilizzato le misurazioni per calcolare le masse delle minuscole concentrazioni di materia oscura. Per analizzare i dati sono stati sviluppati elaborati programmi di calcolo e tecniche di ricostruzione. I ricercatori hanno utilizzato la WFC3 di Hubble per catturare la luce infrarossa da ogni quasar e disperderla nei suoi colori componenti per uno studio spettroscopico. Le lenti gravitazionali sono state scoperte setacciando attraverso le indagini cartografiche del cielo come la Sloan Digital Sky Survey e la Dark Energy Survey, che forniscono le mappe tridimensionali più dettagliate dell'universo mai realizzate. I quasar si trovano infatti a circa 10 miliardi di anni luce dalla Terra mentre le galassie in primo piano a 2. Il numero di piccole strutture rilevate nello studio offre ulteriori indizi sulla natura della materia oscura poiché le proprietà delle particelle della materia oscura influenzano il numero di grumi che si formano. Ciò significa che è possibile conoscere la fisica delle particelle della materia oscura contando il numero dei piccoli gruppi.
Tuttavia, il tipo di particella che costituisce la materia oscura è ancora un mistero. Nei prossimi anni sarà possibile utilizzare il James Webb Space Telescope (JWST) e il Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) per effettuare misurazioni infrarosse che aiuteranno a capire ancora di più su questi rari sistemi.

fonti: NASA, ESA

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