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Tracce di materia oscura in prossimità del Big Bang

La presenza di materia oscura su un campione significativo di galassie in formazione – in prossimità del Big Bang – stimola nuove ipotesi sulle regole fondamentali della cosmologia che potrebbero differire dalle attuali.

Ad affermarlo è un team guidato da Hironao Miyatake dell’Università di Nagoya in Giappone, in collaborazione con l’Università di Tokyo, l’Osservatorio astronomico nazionale del Giappone e l’Università di Princeton; gli scienziati hanno studiato la natura della materia oscura che circonda le galassie viste come erano 12 miliardi di anni fa, ad oggi era stata rilevata a non più di 8-10 miliardi di anni fa. Lo studio è stato appena pubblicato su Physical Review Letters.

L’elemento sorprendente – in queste nuove ipotesi – è stato il rintracciare barlumi di luce di galassie lontane in un ‘fermo immagine’ di com’erano miliardi di anni fa, tenendo conto della velocità finita della luce che ci rimanda una realtà non più attuale. Ma ancora più impegnativo per gli scienziati è stato osservare la materia oscura.

Come hanno fatto gli scienziati a dimostrare che si trattava effettivamente di questa entità così elusiva? Consideriamo una galassia sorgente lontana, anche più distante 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. Maggiore è la quantità di materia oscura, maggiore è la distorsione. Pertanto, i ricercatori possono misurare la quantità di materia oscura attorno alla galassia in primo piano (la galassia della ‘lente’) dalla distorsione.

Ma le difficoltà non finiscono qui. Per giungere a questo risultato, gli autori dello studio hanno dovuto tenere conto che le galassie – negli angoli più profondi dell’Universo – sono incredibilmente deboli:  di conseguenza, più lontano guardiamo 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 fondo per rilevare il segnale.

La ‘pistola fumante’ sono le microonde rilasciate dal Big Bang stesso. In questo studio, la luce è stata analizzata utilizzando le microonde della luce di fondo. Un metodo che supera le precedenti osservazioni; esse, infatti, hanno potuto analizzare la materia oscura solo da non più di 8-10 miliardi di anni fa, lasciando aperta la domanda se la materia oscura fosse presente tra quel periodo e la data ‘dell’avvio del tutto’, che risale a 13,7 miliardi di anni fa.

Con i dati delle osservazioni del Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (Hsc), il team ha identificato 1,5 milioni di galassie con lenti, usando la luce visibile, selezionate per essere viste 12 miliardi di anni fa. Per superare la mancanza di luce della galassia ancora più lontana, hanno utilizzato le microonde del fondo cosmico a microonde (Cmb), il residuo di radiazione del Big Bang. Impiegando le microonde osservate dal 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.  

«È stata un’idea pazzesca. Nessuno si è reso conto che potevamo farlo. Ma dopo aver tenuto un discorso su un grande campione di galassie distanti, Hironao è venuto da me e ha detto che potrebbe essere possibile osservare la materia oscura attorno a queste galassie con la Cmb», afferma Masami Ouchi dell’Università di Tokyo.

Dopo un’analisi preliminare, il team si è reso 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, da 12 miliardi di anni fa. Questo punto è solo 1,7 miliardi di anni dopo l’inizio dell’Universo, e quindi queste galassie vengono viste subito dopo la loro prima formazione.

«Dodici miliardi di anni fa, le cose erano molto diverse. Si vedono più galassie in fase di formazione rispetto a oggi; anche i primi ammassi di galassie stanno iniziando a crearsi. Gli ammassi di galassie comprendono 100-1000 galassie legate dalla gravità con grandi quantità di materia oscura», afferma Miyatake.

Tra le scoperte più interessanti, c’è quella della misurazione della massa della materia oscura, cioè di quanta materia oscura era presente a 12 miliardi di anni fa. Secondo la teoria cosmologica standard, il modello Lambda-Cdm, le fluttuazioni sottili nella Cmb formano pozze di materia densamente impacchettata attirando la materia circostante attraverso la gravità. Questo crea grumi disomogenei che danno origine a stelle e galassie in queste regioni dense. I risultati del gruppo suggeriscono che la loro misurazione dell’aggregazione era inferiore a quanto previsto dal modello Lambda-Cdm.

La scoperta ha ancora margini di incertezza, ma, se ulteriormente dimostrata, suggerirebbe che l’intero modello Lambda-Cdm è difettoso mentre si va più indietro nel tempo. «Se il risultato persiste dopo che una riduzione significativa delle incertezze, potrebbe suggerire un miglioramento del modello che potrebbe fornire informazioni sulla natura della materia oscura stessa», sostiene il primo autore.

In apertura: il residuo di radiazioni del Big Bang, distorto dalla materia oscura 12 miliardi di anni fa. Crediti: Reiko Matsushita 

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