Un team dell’università di Nagoya ha osservato la distribuzione della materia oscura quasi all’inizio dell’universo per rilevare le caratteristiche.

Una collaborazione guidata dagli scienziati dell’Università di Nagoya in Giappone ha studiato la natura della materia oscura che circonda le galassie viste come erano 12 miliardi di anni fa. Le loro scoperte hanno offerto l’allettante possibilità che le regole fondamentali della cosmologia possano essere diverse quando si esamina la storia antica del nostro Universo.

Ma come possiamo vedere qualcosa che è successo così tanto tempo fa? Grazie al limite della velocità della luce possiamo osservare le galassie lontane non come sono oggi ma come erano miliardi di anni fa. E come possiamo tracciare qualcosa come la materia oscura, che per sua natura non emette luce?

La distribuzione della Materia oscura
La distribuzione della Materia oscura. Credit: Tom Abel e Ralf Kaehler ( KIPAC , SLAC ), AMNH

La materia oscura all’inizio dell’universo

Consideriamo una galassia sorgente molto distante, anche più lontana della galassia di cui si vuole indagare la materia oscura. L’attrazione gravitazionale della galassia in primo piano, inclusa la sua materia oscura, distorce lo spazio e il tempo circostanti, come previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein. Mentre la luce della galassia sorgente viaggia attraverso questa distorsione, si piega, cambiando la forma apparente della galassia nel cielo. Maggiore è la quantità di materia oscura, maggiore è la distorsione. Così, gli astronomi possono calcolare la quantità di materia presente attorno alla galassia in primo piano.

Tuttavia, a questo punto, gli scienziati incontrano un problema. La luce delle galassie negli angoli più profondi dell’Universo è molto debole. Di conseguenza, più lontano guardi dalla Terra, meno efficace diventa questa tecnica. La distorsione della lente è sottile e difficile da rilevare nella maggior parte dei casi, quindi sono necessarie molte galassie di sfondo per rilevare il segnale.
La maggior parte degli studi del passato è rimasta bloccata per questi limiti. Incapaci di rilevare galassie sorgente abbastanza lontane per misurare la distorsione, hanno potuto analizzare la materia oscura fino a un massimo di 8-10 miliardi di anni fa. Queste limitazioni hanno lasciato aperta la domanda sulla distribuzione della materia oscura tra questo periodo e 13,7 miliardi di anni fa, intorno agli inizi del nostro universo.

Per superare queste sfide e osservare la materia oscura negli angoli più remoti, un gruppo di ricerca guidato da Hironao Miyatake dell’Università di Nagoya, in collaborazione con l’Università di Tokyo, l’Osservatorio astronomico nazionale del Giappone e l’Università di Princeton, ha utilizzato una diversa fonte di sfondo luce: la radiazione cosmica di fondo rilasciata dal Big Bang stesso.

La distribuzione della “materia oscura” invisibile è stata studiata combinando la radiazione cosmica di fondo (CMB) e le immagini di HSC-SSP. Credits: Reiko Matsushita

Un aiuto dalla radiazione cosmica di fondo

Come hanno fatto? In primo luogo, utilizzando i dati delle osservazioni del programma strategico Hyper Suprime-Cam Subaru (HSC-SSP), il team ha identificato 1,5 milioni di lenti gravitazionali provocate da galassie utilizzando la luce visibile e selezionate per essere viste 12 miliardi di anni fa. Successivamente, per superare la mancanza di luce della galassia ancora più lontana, hanno utilizzato le microonde della radiazione di fondo (CMB). Utilizzando il satellite Planck dell’Agenzia spaziale europea, il team ha misurato il modo in cui la materia oscura attorno alle galassie della lente ha distorto le microonde.

Dopo un’analisi preliminare, i ricercatori si sono presto resi conto di avere un campione sufficientemente grande per rilevare la distribuzione della materia oscura. Combinando il grande campione di galassie lontane e le distorsioni della lente nella CMB, hanno rilevato la materia oscura ancora più indietro nel tempo, fino a 12 miliardi di anni fa: è “solo” 1,7 miliardi di anni dopo l’inizio dell’Universo e pertanto queste galassie vengono viste subito dopo la loro prima formazione. A quell’epoca gli ammassi di galassie erano costituiti da 100 fino a 1000 galassie legate dalla gravità con grandi quantità di materia.

Questo risultato fornisce un quadro molto coerente delle galassie e della loro evoluzione, nonché della materia oscura dentro e intorno alle galassie, e di come essa si evolve nel tempo“, ha affermatp Neta Bahcall, professore di scienze astrofisiche e Direttore degli studi universitari all’Università di Princeton.

La densità della Materia Oscura

Una delle scoperte più interessanti dei ricercatori è stata quella relativa alla consistenza della materia oscura. Secondo la teoria cosmologica standard, il modello Lambda-CDM (Cold Dark Matter), le fluttuazioni sottili nella CMB formano pozze di materia densamente legata attirando la materia circostante attraverso la gravità. Questo crea grumi disomogenei che formano stelle e galassie in queste regioni così dense. I risultati del gruppo suggeriscono che la loro misurazione dell’aggregazione era inferiore a quanto previsto dal modello Lambda-CDM.

Questa scoperta necessita ancora di conferme, ma se fosse vera, suggerirebbe che l‘intero modello di evoluzione ha delle lacune mentre si va più indietro nel tempo.

Questo studio ha utilizzato i dati disponibili dai telescopi esistenti, tra cui Planck e il telescopio Subaru. Il gruppo ha esaminato solo un terzo dei dati HSC-SSP. Il prossimo passo sarà analizzare l’intero set di dati, che dovrebbe consentire una misurazione più precisa della distribuzione della materia oscura. In futuro, il team prevede di utilizzare un set di dati avanzato come il Legacy Survey of Space and Time (LSST) del Vera C. Rubin Observatory per arrivare a esplorare davvero ai primordi dell’universo oltre i 13 miliardi di anni fa.

Riferimenti: Subaru Telescope

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