Nella Ricetta della Teoria della Materia oscura, manca un ingrediente,lo indica ricerca italiana sugli ammassi di galassie
Potrebbe mancare qualcosa nelle teorie su come si comporta la materia oscura. Questo ingrediente mancante potrebbe spiegare perché i ricercatori hanno scoperto un’inaspettata discrepanza tra le osservazioni delle concentrazioni di materia oscura in un campione di ammassi di galassie massicce e le simulazioni teoriche al computer di come la materia oscura dovrebbe essere distribuita negli ammassi.
Le nuove scoperte indicano che alcune concentrazioni di materia oscura su piccola scala producono effetti di lenti 10 volte più forti del previsto.
La materia oscura è il collante invisibile che tiene insieme stelle, polvere e gas in una galassia.
Questa misteriosa sostanza costituisce il grosso della massa di una galassia e costituisce la base della struttura su larga scala del nostro Universo. Poiché la materia oscura non emette, assorbe o riflette la luce, la sua presenza è nota solo attraverso la sua attrazione gravitazionale sulla materia visibile nello spazio. Astronomi e fisici stanno ancora cercando di capire cosa sia.
Gli ammassi di galassie, le strutture più massicce e recentemente assemblate dell’Universo, sono anche i più grandi depositi di materia oscura. Gli ammassi sono composti da singole galassie membri che sono tenute insieme in gran parte dalla gravità della materia oscura.
“Gli ammassi di galassie sono laboratori ideali per studiare se le simulazioni numeriche dell’Universo attualmente disponibili riproducono bene ciò che possiamo dedurre dalle lenti gravitazionali”, ha detto Massimo Meneghetti dell’INAF-Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna, autore principale dello studio.
“Abbiamo fatto molti test sui dati di questo studio, e siamo sicuri che questo disallineamento indica che manca qualche ingrediente fisico sia nelle simulazioni che nella nostra comprensione della natura della materia oscura”, ha aggiunto Meneghetti.
“C’è una caratteristica dell’Universo reale che semplicemente non stiamo catturando nei nostri attuali modelli teorici”, ha aggiunto Priyamvada Natarajan dell’Università di Yale nel Connecticut, USA, uno dei teorici più anziani del team. “Questo potrebbe segnalare una lacuna nella nostra attuale comprensione della natura della materia oscura e delle sue proprietà, poiché questi dati squisiti ci hanno permesso di sondare la distribuzione dettagliata della materia oscura sulle scale più piccole”.
La distribuzione della materia oscura nei cluster è mappata misurando la flessione della luce – l’effetto di lenti gravitazionali – che essi producono. La gravità della materia oscura concentrata negli ammassi ingrandisce e deforma la luce proveniente da oggetti di sfondo lontani. Questo effetto produce distorsioni nelle forme delle galassie di sfondo che appaiono nelle immagini degli ammassi. La lente gravitazionale può spesso produrre anche immagini multiple della stessa galassia lontana.
Più alta è la concentrazione di materia oscura in un ammasso, più drammatico è l’effetto di piegamento della luce. La presenza di ammassi di materia oscura su scala ridotta associati alle singole galassie degli ammassi aumenta il livello di distorsione. In un certo senso, l’ammasso di galassie agisce come una lente su larga scala che ha molte lenti più piccole incorporate al suo interno.
Le immagini nitide di Hubble sono state scattate dalla Wide Field Camera 3 del telescopio e dalla Advanced Camera for Surveys. Accoppiate con gli spettri del Very Large Telescope (VLT) dell’European Southern Observatory, il team ha prodotto una mappa accurata, ad alta fedeltà e di materia oscura. Misurando le distorsioni della lente, gli astronomi hanno potuto tracciare la quantità e la distribuzione della materia oscura. I tre principali ammassi di galassie, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 e Abell S1063, facevano parte di due sondaggi Hubble: I Campi di Frontiera e l’indagine Cluster Lensing And Supernova con i programmi Hubble (CLASH).
Con sorpresa del team, oltre ai drammatici archi e alle caratteristiche allungate delle galassie lontane prodotte dalle lenti gravitazionali di ciascun ammasso, le immagini di Hubble hanno anche rivelato un numero inaspettato di archi a scala ridotta e immagini distorte annidate vicino al nucleo di ciascun ammasso, dove risiedono le galassie più massicce. I ricercatori ritengono che le lenti annidate siano prodotte dalla gravità di dense concentrazioni di materia all’interno delle singole galassie degli ammassi. Le osservazioni spettroscopiche di follow-up hanno misurato la velocità delle stelle in orbita all’interno di diverse galassie dell’ammasso per stabilirne la massa.
“I dati di Hubble e del VLT hanno fornito un’eccellente sinergia”, ha condiviso il membro del team Piero Rosati dell’Università degli Studi di Ferrara, che ha guidato la campagna spettroscopica. “Siamo stati in grado di associare le galassie ad ogni ammasso e di stimarne le distanze”.
“La velocità delle stelle ci ha fornito una stima della massa di ogni singola galassia, compresa la quantità di materia oscura”, ha aggiunto Pietro Bergamini, membro del team dell’INAF-Osservatorio di Astrofisica e Scienze Spaziali di Bologna.
Combinando l’imaging Hubble e la spettroscopia VLT, gli astronomi sono stati in grado di identificare decine di galassie con immagini multiple, con lenti e con sfondo. Ciò ha permesso loro di assemblare una mappa ben calibrata e ad alta risoluzione della distribuzione di massa della materia oscura in ogni ammasso.
Il team ha confrontato le mappe della materia oscura con campioni di ammassi di galassie simulate con masse simili, situate più o meno alle stesse distanze. Gli ammassi nel modello al computer non mostravano nessuno dello stesso livello di concentrazione di materia oscura sulle scale più piccole – le scale associate alle singole galassie degli ammassi.
“I risultati di queste analisi dimostrano ulteriormente come le osservazioni e le simulazioni numeriche vadano di pari passo”, ha detto Elena Rasia, membro del team dell’Osservatorio astronomico dell’INAF di Trieste.
“Con simulazioni cosmologiche avanzate, siamo in grado di eguagliare la qualità delle osservazioni analizzate nel nostro lavoro, permettendo confronti dettagliati come mai prima d’ora”, ha aggiunto Stefano Borgani dell’Università degli Studi di Trieste, Italia.
Gli astronomi, compresi quelli di questo team, non vedono l’ora di continuare a sondare la materia oscura e i suoi misteri per poterne finalmente individuare la natura.
