Effetto di lensing gravitazionale sulla radiazione di fondo cosmico a microonde. Crediti: ESA and the Planck Collaboration; C. Carreau
«Elementare, mio caro Watson», avrebbe forse esclamato Sherlock Holmes innanzi al procedimento seguito dal team del telescopio spaziale ESA Planck per ricostruire la mappa della materia più inafferrabile che si conosca: l’elusiva materia oscura. Solo che, mentre il detective londinese usava la sua inseparabile lente come strumento, per far emergere dalla scena del delitto microscopici indizi, i cosmologi di Planck hanno seguito il processo inverso: hanno usato gli indizi per far emergere la lente. Un processo, assicurano, tutt’altro che elementare. Ma che ha portato a un risultato straordinario: la mappatura completa, a tutto cielo e in tre dimensioni – le due spaziali della mappa e quella temporale – della distribuzione della materia oscura nello spazio e nel tempo.
Il fenomeno della lente gravitazionale è ben noto agli astronomi, che lo usano da tempo per sondare gli oggetti più distanti: il percorso della luce emessa da una galassia distante, per esempio, attraversando nel suo viaggio verso di noi zone ad alta densità di materia, subisce una deviazione, dando nei casi più fortunati origine a un ingrandimento. Ecco così che la microscopica galassia, assumendo forme distorte come quella — notissima — del cosiddetto “anello di Einstein”, viene amplificata al punto da diventare visibile.
Ora, queste “lenti naturali” sono costituite nella maggior parte dei casi da densi agglomerati di materia oscura: materia che, pur essendo a tutt’oggi non rilevabile direttamente, esercita la sua attrazione gravitazionale su tutto ciò che la circonda e la sfiora. Non solo sulla luce proveniente da singole galassie e ammassi di galassie, dunque, ma anche sui fotoni primordiali, quelli appunto catturati da Planck nel corso della sua missione per ricostruire l’immagine del cosmo a 380mila anni dal Big Bang.
Eccoci così al ragionamento “elementare” seguito dagli scienziati di Planck: se le lenti gravitazionali di materia oscura alterano il percorso della luce primordiale, confrontando le differenze fra l’immagine originale e quella giunta fino a noi – vale a dire, la mappa della CMB, la cosmic microwave background radiation raccolta da Planck – dovrebbe essere possibile ricostruire dove si trovano, quelle lenti, e quale forma hanno. E poiché quelle “lenti” sono per lo più addensamenti di materia oscura, la ricostruzione dovrebbe corrispondere alla mappa della materia oscura nell’intero cosmo.
La distribuzione a tutto cielo della materia oscura nell’universo ricostruita da Planck. La zona grigia corrisponde alle emissioni di foreground galattici, qui oscurate perché troppo intense per essere rimosse. Crediti: ESA and the Planck Collaboration
Certo, c’è un problema: grazie a Planck abbiamo sì l’immagine a valle delle lenti, ma quella originaria? Ebbene, si può almeno in parte inferire statisticamente, osservando le anomalie nella conformazione di alcuni cold spot, i punti freddi presenti nella mappa stessa, rispetto alla loro forma tipica. Operazione tutt’altro che semplice, però, e soggetta a un inevitabile “rumore statistico”, come spiega Karim Benabed, dell’Istituto di Astrofisica di Parigi: «Isolare l’effetto di gravitational lensing nella CMB è estremamente difficile, perché ciò che dobbiamo individuare è la deformazione di un segnale già di per sé assai poco strutturato. Siamo perciò costretti a far ricorso a metodi statistici, che ci consentono di individuare e sfruttare scostamenti minimali presenti nella forma della CMB per ricostruire il potenziale gravitazionale della struttura che ha causato queste distorsioni».
«È un po’ come cercare d’indovinare la conformazione del suolo, al di sotto di un terreno innevato, potendo osservare solo lo spesso strato di neve che lo copre. Parte di ciò che vedremmo sulla superficie bianca è conseguenza, in effetti, della conformazione del terreno o della presenza di pietre e altri oggetti al di sotto della neve. Tuttavia», mette in guardia Benabed, «potremmo anche notare altre caratteristiche causate da null’altro che dalla distribuzione non uniforme dello strato di neve stesso, e dedurne erroneamente che corrispondano a oggetti reali presenti al di sotto di esso».
Una mappa, dunque, da prendere con le molle, questa della distribuzione della materia oscura. Ma, in media, frutto di una ricostruzione assai accurata, garantiscono gli scienziati di Planck. E destinata a raggiungere gradi di accuratezza ancora maggiore una volta combinata con altre osservazioni, come sottolinea il project scientist di Planck Jan Tauber, dell’ESA: «La rilevazione del gravitational lensing della CMB su quasi tutto il cielo è un traguardo straordinario raggiunto da Planck: si tratta di un insieme di dati unico, che gli astronomi e i cosmologi studieranno per anni. In particolare, integrando i dati sul lensing gravitazionale ottenuto dalla CMB con quelli provenienti da sonde per lo studio di strutture a larga scala, come le survey di galassie, saremo in grado di approfondire la complessa relazione tra la distribuzione della materia oscura e di quella luminosa presenti nel nostro universo».
Per saperne di più:
- Leggi l’articolo “Gravitational lensing by large-scale structure“
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