Una fetta dello spazio cubico generato dalla simulazione Illustris. Si nota la distribuzione della materia oscura su una regione di spazio di lunghezza e altezza pari a 350 milioni di anni luce che si estende per 300 mila anni luce. Le galassie si trovano nei punti a più alta densità, cioè nelle regioni più piccole e di color bianco. Crediti: Markus Haider / Illustris collaboration
Sappiamo che l’Universo è dominato da materia invisibile, quella che gli astronomi chiamano materia oscura, mentre la struttura su larga scala è caratterizzata dalle galassie che sono concentrate in strutture a forma di filamenti che si estendono lungo l’estremità di enormi vuoti cosmici. Nonostante queste strutture siano state considerate quasi prive di materia, un gruppo internazionale di astronomi ritiene che questi vuoti potrebbero contenere almeno il 20 percento della materia ordinaria e che le galassie rappresenterebbero soltanto 1/500 del volume dell’Universo. I risultati di questo studio, guidato da Markus Haider dell’Institute of Astro and Particle Physics dell’Università di Innsbruck in Austria, sono riportati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).
Nel corso degli ultimi anni, le osservazioni realizzate dai satelliti COBE, WMAP e Planck sulla radiazione cosmica di fondo hanno permesso di affinare gradualmente la nostra comprensione sul contenuto materia-energia dell’Universo: le misure più recenti indicano che il 4,9% è costituito da materia ordinaria o barionica, cioè la materia che compone le stelle, i pianeti e persino noi stessi, che il 26,8% è dovuto all’enigmatica materia oscura e che il rimanente 68,3% è costituito da una componente ancora più misteriosa chiamata energia oscura.
All’informazione ottenuta dalle missioni spaziali si è aggiunta progressivamente quella fornita dagli osservatori terrestri, che hanno permesso di mappare su grandi volumi di spazio la posizione delle galassie, e indirettamente della materia oscura, mostrando che esse sono distribuite lungo strutture a filamenti che formano la cosiddetta “ragnatela cosmica”. Haider e il suo team hanno studiato tutto questo in dettaglio facendo uso dei dati del progetto Illustris, una imponente simulazione numerica che tenta di ricostruire la formazione e l’evoluzione delle galassie, con l’obiettivo di misurare la massa e il volume delle strutture a filamenti e delle galassie ivi contenute.
La simulazione, che riproduce uno spazio a forma di cubo di lato pari a 350 milioni di anni luce, inizia quando l’Universo aveva un’età di appena 12 milioni di anni e traccia l’evoluzione della distribuzione della materia, soggetta alle reciproche interazioni gravitazionali, osservando come essa abbia modificato nel corso del tempo la struttura cosmica fino ai nostri giorni. Inoltre, nella simulazione si tiene conto non solo della materia ordinaria ma soprattutto della materia oscura, che produce l’effetto più importante in termini dell’attrazione gravitazionale.
In questa figura, riferita alla stessa porzione dello spazio di quella precedente, vediamo invece la distribuzione della materia ordinaria. Crediti: Markus Haider / Illustris collaboration
L’analisi dei dati suggerisce che la metà circa della massa totale presente nell’Universo si trova dove risiedono le galassie, cioè compressa in un volume di spazio pari allo 0,2% dell’Universo che vediamo oggi; un ulteriore 44% è presente nelle strutture a filamenti mentre il 6% è invece situata nei vuoti cosmici, che rappresentano l’80% del volume. Cosa più interessante è che secondo i ricercatori un’inaspettata frazione della materia ordinaria, stiamo parlando del 20%, deve essere stata trasferita molto probabilmente verso i vuoti cosmici. I principali indiziati di questo processo sembrano essere i buchi neri supermassivi che risiedono nei nuclei delle galassie. Parte della materia che precipita verso i buchi neri viene convertita in energia. A sua volta, questa energia viene trasferita al gas circostante determinando così la formazione di enormi flussi di materia che si estendono per centinaia di migliaia di anni luce a partire dai buchi neri, raggiungendo distanze ben al di là delle dimensioni delle rispettive galassie ospiti.
A parte riempire i vuoti con più materia rispetto a quanto ipotizzato in precedenza, questi risultati potrebbero spiegare il cosiddetto “problema della massa mancante di tipo barionico” secondo cui la quantità di materia attesa non sarebbe consistente con quanto predetto dai modelli. «Questa simulazione», spiega Haider, «una delle più sofisticate mai realizzate, suggerisce che i buchi neri che risiedono nel nucleo di ogni galassia ‘aiutino’, per così dire, a trasferire la materia verso le zone più isolate dell’Universo. Ciò che vogliamo fare adesso è affinare il nostro modello e confermare l’attendibilità di questi primi risultati».
Proprio in questi giorni, i ricercatori stanno realizzando tutta una serie di simulazioni i cui risultati dovrebbero essere già disponibili nei prossimi mesi. Gli astronomi cercheranno di capire se, ad esempio, l’attività esercitata dai buchi neri sia davvero consistente con i modelli. Ad ogni modo, qualunque sarà il risultato che emergerà da Illustris, sarà comunque molto complicato osservare materia negli spazi vuoti, essendo quest’ultima molto debole e fredda per emettere raggi X che potrebbero essere rivelati eventualmente dai satelliti.
Per saperne di più:
- Leggi l’articolo su MNRAS: M. Haider et al. 2016 – Large-scale mass distribution in the Illustris simulation
- Leggi il preprint su arXiv: Large-Scale Mass Distribution in the Illustris-Simulation