Dal momento che il “ Età d'oro della relatività generale Negli anni '60, gli scienziati hanno sostenuto che gran parte dell'Universo è costituito da una misteriosa massa invisibile nota come ' Materia oscura “. Da allora, gli scienziati hanno tentato di risolvere questo mistero con un duplice approccio. Da un lato, gli astrofisici hanno tentato di trovare una particella candidata che potrebbe spiegare questa massa.
Dall'altro, gli astrofisici hanno cercato di trovare una base teorica che potesse spiegare il comportamento della Materia Oscura. Finora il dibattito si è incentrato sulla questione se sia “caldo” o “freddo”, con il freddo che gode di una marcia in più per la sua relativa semplicità. Tuttavia, un nuovo studio condotto dal Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian (CfA) rinnova l'idea che la materia oscura possa effettivamente essere 'calda'.
Questo si basava su simulazioni cosmologiche della formazione di galassie utilizzando un modello di un universo che includeva la materia oscura interattiva. Le simulazioni sono state condotte da un team internazionale di ricercatori del CfA, MIT's Istituto Kavli per l'astrofisica e la ricerca spaziale , il Istituto Leibniz per l'astrofisica Potsdam , e più università. Lo studio è apparso di recente in Avvisi mensili della Royal Astronomical Society .
Rappresentazione artistica del modello cosmologico LCDM. Credito: Wikipedia Commons/Alex Mittelmann, Coldcreation
Quando si arriva al punto, Dark Matter ha un nome appropriato. Per cominciare, costituisce circa l'84% della massa dell'Universo ma non emette, assorbe o riflette la luce o qualsiasi altra forma nota di radiazione. In secondo luogo, non ha carica elettromagnetica e non interagisce con altra materia se non attraverso la gravità, la più debole delle quattro forze fondamentali.
Terzo, non è composto da atomi o dai loro consueti elementi costitutivi (cioè elettroni, protoni e neutroni), il che contribuisce alla sua natura misteriosa. Di conseguenza, gli scienziati teorizzano che debba essere costituito da un nuovo tipo di materia che è coerente con le leggi dell'Universo ma non compare nella ricerca convenzionale sulla fisica delle particelle.
Due simulazioni di formazione di galassie quando l'universo aveva circa un miliardo di anni. Credito: Bose et al. 2019
Indipendentemente dalla sua vera natura, la Materia Oscura ha avuto una profonda influenza sull'evoluzione del cosmo da circa 1 miliardo di anni dopo il Big Bang in poi. In effetti, si ritiene che abbia giocato un ruolo chiave in tutto, dalla formazione delle galassie alla distribuzione della radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB).
Inoltre, i modelli cosmologici che tengono conto del ruolo svolto dalla Materia Oscura sono supportati da osservazioni di questi due tipi molto diversi di strutture cosmiche. Inoltre, sono coerenti con parametri cosmici come la velocità con cui l'Universo si sta espandendo, che è a sua volta influenzato da una forza misteriosa e invisibile (nota come ' Energia oscura ').
Attualmente, i modelli più ampiamente accettati di materia oscura presumono che non interagisca con nessun altro tipo di materia o radiazione (inclusa se stessa) oltre l'influenza della gravità, ovvero che sia 'fredda'. Questo è quello che è noto come scenario Cold Dark Matter (CDM), che è spesso combinato con la teoria dell'Energia Oscura (rappresentata da Lambda) nella forma del modello cosmologico LCDM.
Questa forma teorica di Materia Oscura viene anche definita non interattiva, poiché è incapace di interagire con la materia normale attraverso qualcosa di diverso dalla più debole delle forze fondamentali. Come ha spiegato a Universe Today via e-mail il dott. Sownak Bose, astronomo del CfA e autore principale dello studio:
“[CDM] è il modello più collaudato e preferito. Ciò è dovuto principalmente al fatto che negli ultimi quattro decenni circa, le persone hanno lavorato duramente per fare previsioni utilizzando la materia oscura fredda come paradigma standard - questi vengono quindi confrontati con dati reali - con la scoperta che, in generale, questo modello è in grado di riprodurre un'ampia gamma di fenomeni osservati su un'ampia gamma di scale”.
Come lo descrive, lo scenario freddo della materia oscura è diventato il favorito dopo che le simulazioni numeriche dell'evoluzione cosmica stavano conducendo usando la 'materia oscura calda' - in questo caso, il neutrino. Queste sono particelle subatomiche molto simili a un elettrone, ma non hanno carica elettrica. Sono anche così leggeri che viaggiano in tutto l'Universo quasi alla velocità della luce (in altre parole, sono cinematicamente 'caldi').
Queste simulazioni hanno mostrato che le distribuzioni previste non assomigliavano per niente all'Universo oggi', ha aggiunto Bose. “Per questo motivo si è cominciato a considerare il limite opposto, particelle che hanno appena una velocità qualsiasi quando nascono (dette anche “fredde”). Le simulazioni che includevano questo candidato si adattavano molto più strettamente alle osservazioni moderne dell'Universo.
“Dopo aver eseguito gli stessi test di clustering di galassie di prima, gli astronomi hanno trovato un accordo sorprendente tra l'universo simulato e quello osservato. Nei decenni successivi, la particella fredda è stata testata attraverso test più rigorosi e non banali rispetto al semplice raggruppamento di galassie, e generalmente ha superato ciascuno di questi a pieni voti.
Un'altra fonte di attrazione è il fatto che la fredda Materia Oscura (almeno in teoria) dovrebbe essere rilevabile direttamente o indirettamente. Tuttavia, è qui che il CDM incontra dei problemi poiché tutti i tentativi di rilevare una singola particella finora sono falliti. Pertanto, i cosmologi hanno preso in considerazione altri possibili candidati che avrebbero livelli di interazione ancora più piccoli con altra materia.
Questo è ciò che Sownak Bose, un astronomo del CfA, ha cercato di determinare con il suo team di ricercatori. Per motivi di studio, si sono concentrati su un candidato 'caldo' per la materia oscura. Questo tipo di particella avrebbe la capacità di interagire sottilmente con particelle molto leggere che si muovono vicino alla velocità della luce, anche se meno della varietà più interattiva 'calda'.
In particolare, potrebbe essere in grado di interagire con i neutrini, l'ex front-runner per lo scenario HDM. Si pensa che i neutrini siano stati molto diffusi durante il caldo Universo primordiale, quindi la presenza dell'interazione della materia oscura avrebbe avuto una forte influenza.
Luce visibile (sinistra) e immagine infrarossa (destra) della galassia Whirlpool, riprese dal telescopio spaziale Hubble della NASA. Credito: NASA/ESA/M. Regan & B. Whitmore (STScI), & R. Chandar (U. Toledo)/S. Beckwith (STScI) e Hubble Heritage Team (STScI/AURA
'In questa classe di modelli, la particella della materia oscura può avere un'interazione finita (ma debole) con una specie radiativa come i fotoni oi neutrini', ha affermato il dott. Bose. 'Questo accoppiamento lascia un'impronta piuttosto unica nella 'grossolanità' dell'Universo nei primi tempi, il che è molto diverso da quello che ci si potrebbe aspettare se la Materia Oscura fosse una particella fredda'.
Per testare ciò, il team ha eseguito simulazioni cosmologiche all'avanguardia nelle strutture di supercalcolo di Harvard e dell'Università dell'Islanda. Queste simulazioni hanno considerato come la formazione delle galassie sarebbe stata influenzata dalla presenza sia di materia calda che oscura da circa 1 miliardo dopo il Big Bang a 14 miliardi di anni (più o meno il presente). Ha detto che il dottor Bose ha indicato:
“[Abbiamo] eseguito simulazioni al computer per generare realizzazioni di come potrebbe apparire questo Universo dopo 14 miliardi di anni di evoluzione. Oltre a modellare il componente Dark Matter, abbiamo incluso anche prescrizioni all'avanguardia per la formazione stellare, gli effetti di supernovae e buchi neri, la formazione di metallieccetera. '
Il team ha quindi confrontato i risultati tra loro per identificare le firme caratteristiche che li distinguessero l'uno dall'altro. Quello che hanno scoperto è che per molte delle simulazioni gli effetti di questa materia oscura interattiva erano troppo piccoli per essere evidenti. Tuttavia, erano presenti in alcuni modi distinti, in particolare nel modo in cui le galassie lontane sono distribuite nello spazio.
Una simulazione al computer della distribuzione della materia nell'universo. Le regioni arancioni ospitano le galassie; le strutture blu sono gas e materia oscura. Credito: Collaborazione TNG
Questa osservazione è particolarmente interessante perché può essere testata in futuro utilizzando strumenti di nuova generazione. 'Il modo per farlo è mappare la irregolarità dell'Universo in questi primi tempi osservando la distribuzione del gas idrogeno', ha spiegato il dott. Bose. 'Da un punto di vista osservativo, questa è una tecnica ben consolidata: possiamo sondare l'idrogeno neutro nell'universo primordiale osservando gli spettri di galassie lontane (di solito quasar).'
In breve, la luce che viaggia verso di noi da galassie lontane deve passare attraverso il mezzo intergalattico. Se c'è molto idrogeno neutro nel mezzo intermedio, le righe di emissione dalla galassia saranno parzialmente assorbite, mentre saranno libere se ce n'è poco. Se la materia oscura è veramente fredda, si presenterà sotto forma di una distribuzione molto più 'grossolana' del gas idrogeno, mentre uno scenario WDM risulterà in grumi oscillanti.
Attualmente, gli strumenti astronomici non hanno la risoluzione necessaria per misurare le oscillazioni del gas idrogeno nell'Universo primordiale. Ma come indicato dal Dr. Bose, questa ricerca potrebbe fornire impulso per nuovi esperimenti e nuove strutture che sarebbero in grado di fare queste osservazioni.
Ad esempio, uno strumento IR come il Telescopio spaziale James Webb (JWST) potrebbe essere utilizzato per creare nuove mappe della distribuzione dell'assorbimento del gas idrogeno. Queste mappe sarebbero in grado di confermare l'influenza della Materia Oscura interattiva o di escluderla come candidata. Si spera inoltre che questa ricerca possa ispirare le persone a pensare a candidati al di là di quelli che sono già stati considerati.
Alla fine, ha affermato il dott. Bose, il vero valore deriva dal fatto che questo tipo di previsioni teoriche può stimolare le osservazioni verso nuove frontiere e mettere alla prova i limiti di ciò che pensiamo di sapere. 'E questo è tutto ciò che la scienza è davvero', ha aggiunto, 'fare una previsione, proporre un metodo per testarla, eseguire l'esperimento e poi limitare/escludere la teoria!'