La scoperta del telescopio spaziale Hubble suggerisce un grave problema con la nostra comprensione della materia oscura

Nuove osservazioni dal telescopio spaziale Hubble hanno trovato concentrazioni di materia oscura molto più elevate del previsto in alcune galassie, di oltre un ordine di grandezza. Queste concentrazioni non sono coerenti con i modelli teorici, suggerendo che c’è un grande divario nella nostra comprensione: le simulazioni potrebbero essere errate o potrebbe esserci una proprietà della materia oscura che non comprendiamo completamente, secondo il team di ricerca.

Abbiamo fatto molti test accurati per confrontare le simulazioni e i dati in questo studio, e la nostra scoperta della mancata corrispondenza persiste“, ha detto l’astrofisico Massimo Meneghetti dell’Istituto Nazionale di Astrofisica in Italia. “Una possibile origine di questa discrepanza è che potremmo perdere alcuni aspetti fisici chiave nelle simulazioni“.

Materia oscura
Mappa della materia oscura (a sinistra) e immagine del telescopio spaziale Hubble di galassie con il fenomeno della lente gravitazionale (a destra). Credit: NASA, ESA, et al.

Cos’è la materia oscura?

La materia oscura è una delle più grandi spine nella nostra comprensione dell’Universo. In poche parole, non sappiamo cosa sia. Non assorbe, riflette o emette alcuna radiazione elettromagnetica, rendendolo completamente non rilevabile in modo diretto. Tuttavia, interagisce con la materia visibile dell’Universo tramite la gravità. Ciò significa che possiamo studiare come le galassie e le stelle sono distribuite e si muovono nell’Universo, calcolare la gravità necessaria per i movimenti e calcolare e sottrarre la gravità prodotta dalla materia visibile. La gravità che resta indica quanta materia oscura è presente nell’Universo e, da quello che possiamo dire, è molta. Fino all’85% della materia nell’Universo potrebbe essere materia oscura.

Materia oscura
Mappa 3D della materia oscura vista dal telescopio spaziale Hubble. Credit: ESA

Come rilevarla

Uno dei modi in cui possiamo “rilevare” indirettamente la materia oscura è attraverso la lente gravitazionale. Oggetti davvero massicci, come ammassi di galassie, creano un campo gravitazionale così intenso che lo spazio-tempo stesso si incurva. Ciò significa che la luce che viaggia attraverso quello spazio-tempo si muove su un percorso curvo. Quindi, gli oggetti sul lato più lontano di quel campo gravitazionale, come galassie lontane, ci appaiono ingranditi, macchiati, duplicati e distorti. Studiando questi fenomeni possiamo capire come la luce è stata distorta e possiamo mappare il campo gravitazionale: maggiore è la distorsione, più forte è il campo gravitazionale. Ancora una volta, sottraendo la materia visibile, si ottiene una mappa della materia oscura all’interno di quell’ammasso.

Lente gravitazionale
Il fenomeno della lente gravitazionale. Credit: NASA, ESA e L. Calçada

Ed è quello che stavano facendo Meneghetti e il suo team, grazie alle osservazioni di 11 ammassi di galassie utilizzando il telescopio spaziale Hubble e il Very Large Telescope dell’European Southern Observatory in Cile. “Gli ammassi di galassie sono laboratori ideali per capire se le simulazioni al computer dell’Universo riproducono in modo affidabile ciò che possiamo dedurre sulla materia oscura e la sua interazione con la materia visibile“, ha spiegato .

I dati analizzati

Quando il team ha analizzato i dati ci si aspettava che gli effetti della lente gravitazionale fossero prodotti dalla galassia nel suo insieme. Ma hanno anche trovato effetti di lente più piccoli annidati all’interno. Queste piccole lenti, prodotte dalle singole galassie all’interno degli ammassi, non sono comparse nelle simulazioni degli ammassi, suggerendo un eccesso di materia oscura. Per verificare le loro scoperte, il team ha condotto osservazioni spettroscopiche delle galassie, utilizzando lo spostamento della luce per calcolare la velocità delle stelle in orbita, uno strumento classico per misurare la materia oscura. E hanno ricontrollato i calcoli della distanza, perché questo può fare una differenza cruciale.

Lente gravitazionale
La deviazione della luce di una galassia distante intorno a un oggetto massivo. Le frecce arancioni indicano la posizione apparente della galassia distante. Le frecce bianche il reale percorso della luce

I ricercatori hanno scoperto che c’è una concentrazione molto maggiore in quelle singole galassie rispetto a quanto consentito dalle simulazioni. Ma le simulazioni si sono basate sulla nostra migliore comprensione della materia oscura, quindi da dove viene la massa aggiuntiva? Beh, non lo sappiamo. 

Un obiettivo chiave della mia ricerca è stato testare modelli teorici con il miglioramento della qualità dei dati per trovare queste lacune. Sono questi tipi di lacune e anomalie che hanno spesso rivelato che o ci mancava qualcosa nella teoria corrente, o indica la strada a un modello nuovo di zecca, che avrà più potere esplicativo” ha detto l’astrofisica Priyamvada Natarajan dell’Università di Yale. In ogni caso, scoprire cosa sta causando la discrepanza tra simulazione e osservazione è probabile che ci porti a una più forte comprensione della materia oscura.

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