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La materia oscura, secondo il modello cosmologico attuale, avrebbe avuto un ruolo chiave nella formazione di stelle e galassie dopo la nascita dell’universo.
Una collaborazione guidata da 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, pubblicate su Physical Review Letters, offrono l’allettante possibilità che le regole fondamentali della cosmologia possano differire quando si esamina la storia antica del nostro universo.
Vedere qualcosa che è successo così tanto tempo fa è difficile. A causa della velocità finita della luce, vediamo galassie lontane non come sono oggi, ma come erano miliardi di anni fa. Ma ancora più impegnativo è osservare la materia oscura, che non emette luce.
Consideriamo una galassia sorgente lontana, ancora più lontana della galassia di cui si vuole indagare sulla materia oscura. L’attrazione gravitazionale della galassia in primo piano, compresa la sua materia oscura, distorce lo spazio e il tempo circostanti, come previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein.
Mentre la luce proveniente dalla galassia sorgente viaggia attraverso questa distorsione, si piega, cambiando la forma apparente della galassia. Maggiore è la quantità di materia oscura, maggiore è la distorsione. Pertanto, gli scienziati possono misurare la quantità di materia oscura intorno alla galassia in primo piano (la galassia “lente”) dalla distorsione.
Tuttavia, oltre un certo punto gli scienziati incontrano un problema. Le galassie nelle zone più profonde dell’universo sono incredibilmente deboli. Di conseguenza, più lontano dalla Terra guardiamo, meno efficace diventa questa tecnica.
La distorsione della lente è sottile e difficile da rilevare nella maggior parte dei casi, quindi molte galassie di fondo sono necessarie per rilevare il segnale.
La maggior parte degli studi precedenti sono rimasti bloccati agli stessi limiti. Incapaci di rilevare abbastanza galassie distanti per misurare la distorsione, hanno potuto analizzare solo la materia oscura di non più di 8-10 miliardi di anni fa.
Queste limitazioni hanno lasciato aperta la questione della distribuzione della materia oscura tra questo periodo e 13,7 miliardi di anni fa, intorno all’inizio del nostro universo.
Per superare queste sfide e osservare la materia oscura dai confini più remoti dell’universo, un team 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 luce di fondo, le microonde rilasciate dal Big Bang stesso.
In primo luogo, utilizzando i dati delle osservazioni del Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC), il team ha identificato 1,5 milioni di galassie lente utilizzando la luce visibile.
Successivamente, per superare la mancanza di luce di galassie ancora più lontane, hanno impiegato microonde dal fondo cosmico (CMB), il residuo di radiazione del Big Bang.
Utilizzando le microonde osservate dal satellite Planck dell’Agenzia spaziale europea, il team ha misurato come la materia oscura intorno alle galassie lente ha distorto le microonde.
”È stata un’idea folle. Nessuno si rese conto che potevamo farlo. Ma dopo aver tenuto un discorso su un grande campione di galassie lontane, Hironao è venuto da me e mi ha detto che potrebbe essere possibile guardare la materia oscura intorno a queste galassie con la CMB” ha detto il professor Masami Ouchi dell’Università di Tokyo, che ha fatto molte delle osservazioni..
”La maggior parte dei ricercatori usa le galassie sorgente per misurare la distribuzione della materia oscura dal presente a otto miliardi di anni fa”, ha aggiunto il professore assistente Yuichi Harikane dell’Istituto per la ricerca sui raggi cosmici, Università di Tokyo.
“Tuttavia, potremmo guardare più indietro nel passato perché abbiamo usato la CMB più distante per misurare la materia oscura. Per la prima volta, stavamo misurando la materia oscura fin dai primi momenti dell’universo”.
Dopo un’analisi preliminare, i ricercatori si sono presto resi conto di avere un campione abbastanza grande da rilevare la distribuzione della materia oscura. Combinando il grande campione di galassie lontane e le distorsioni della lente in CMB, hanno rilevato la materia oscura ancora più indietro nel tempo, 12 miliardi di anni fa. Questo è solo 1,7 miliardi di anni dopo l’inizio dell’universo e quindi queste galassie appaiono ora come subito dopo la loro formazione.
“12 miliardi di anni fa, le cose erano molto diverse. C’erano più galassie in fase di formazione che al momento; anche i primi ammassi di galassie stanno iniziando a formarsi”. Gli ammassi di galassie comprendono 100-1000 galassie legate dalla gravità con grandi quantità di materia oscura.
”Questo risultato fornisce un quadro molto coerente delle galassie e della loro evoluzione, così come della materia oscura dentro e intorno alle galassie, e di come questa immagine si evolve con il tempo”, ha detto Neta Bahcall, professore di scienze astrofisiche e direttore degli studi universitari presso l’Università di Princeton.
Secondo la teoria standard della cosmologia, il modello Lambda-CDM, sottili fluttuazioni nella CMB formano zone di materia densamente impacchettata attirando la materia circostante attraverso la gravità. Questo crea grumi disomogenei che formano stelle e galassie in queste regioni dense.
I risultati del gruppo suggeriscono che la loro misurazione della grumi era inferiore a quanto previsto dal modello Lambda-CDM.
Miyatake è entusiasta. “La nostra scoperta è ancora incerta”, ha detto. “Ma se è vero, suggerirebbe che l’intero modello è difettoso man mano che si va più indietro nel tempo. Questo è eccitante perché se il risultato regge dopo che le incertezze sono state ridotte, potrebbe suggerire un miglioramento del modello che potrebbe fornire informazioni sulla natura della materia oscura stessa”.
”A questo punto, cercheremo di ottenere dati migliori per vedere se il modello Lambda-CDM è effettivamente in grado di spiegare le osservazioni che abbiamo nell’universo”, ha detto Andrés Plazas Malagón, ricercatore associato presso l’Università di Princeton. “E la conseguenza potrebbe essere che abbiamo bisogno di rivisitare le ipotesi in questo modello”.
”Uno dei punti di forza di guardare l’universo usando indagini su larga scala, come quelle utilizzate in questa ricerca, è che puoi studiare tutto ciò che vedi nelle immagini risultanti, dagli asteroidi vicini nel nostro sistema solare alle galassie più distanti dall’universo primordiale. Puoi usare gli stessi dati per esplorare molte nuove domande”, ha detto Michael Strauss, professore e presidente del Dipartimento di Scienze Astrofisiche dell’Università di Princeton.
Questo studio ha utilizzato i dati disponibili dai telescopi esistenti, tra cui Planck e Subaru. Il gruppo ha esaminato solo un terzo dei dati del Subaru Hyper Suprime-Cam Survey.
Il prossimo passo sarà quello di 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 esplorare più delle prime parti dello spazio.
Immagine: Reiko Matsushita
