La materia oscura potrebbe essere un po’ più calda del previsto. Una serie d’osservazioni effettuate di recente con il telescopio spaziale Hubble ha permesso di porre dei nuovi vincoli sui modelli che spiegano la natura della componente più sfuggente dell’Universo.
Al momento non sappiamo come sia fatta la materia oscura, ciò che sappiamo è che si comporta come la materia ordinaria dal punto di vista gravitazionale, ma che non emette alcun tipo di radiazione elettromagnetica. Esistono teorie per spiegare questo strano comportamento, tra cui i cosiddetti modelli di cold, warm e hot dark matter (letteralmente, materia oscura fredda, tiepida e calda).
Nell’animazione, una simulazione dell’effetto del passaggio di un buco nero davanti ad una galassia vista di taglio (il buco nero è un possibile esempio di Cold Dark Matter). Crediti: Wikipedia/Alain r
Nel caso della cold dark matter la materia oscura sarebbe costituita da particelle debolmente interagenti e massicce (o WIMP, Weakly Interacting Massive Particle), mentre la hot dark matter spiegherebbe il fenomeno con particelle estremamente leggere, come i neutrini. La warm dark matter si colloca in qualche modo a metà strada tra queste due teorie, ipotizzando l’esistenza di particelle di massa intermedia. Fino ad ora la teoria che sembrava fornire la spiegazione più soddisfacente era quella della cold dark matter.
Di recente, un team internazionale di ricercatori ha studiato in dettaglio i dati raccolti dalla camera agli ultravioletti a bordo del telescopio spaziale Hubble. I risultati hanno permesso di fissare dei limiti molto più stringenti di quanto sapevamo in passato per le particelle della tipologia intermedia di materia oscura, la warm dark matter, portandoci un po’ più vicini a conoscere questa componente dell’Universo. Per saperne di più su questo studio abbiamo deciso di intervistare Nicola Menci dell’INAF – Osservatorio Astronomico di Roma, che ha guidato la ricerca.
Dottor Menci, ci spieghi meglio: come si fa ad andare in cerca di warm dark matter?
«L’abbondanza di galassie di piccola massa dipende in maniera cruciale dalla natura della materia oscura. Infatti la velocità media delle particelle di materia oscura determina la massa minima che possono avere le galassie al momento della loro formazione. Nello scenario canonico di materia oscura fredda essa è composta da particelle abbastanza massive da avere bassi valori della velocità media, per cui si possono formare galassie anche molto piccole (masse dell’ordine di un milione di volte la massa del Sole). Ma negli scenari in cui la materia oscura è composta da particelle più leggere (come nel caso della warm dark matter) la maggiore velocità media determina una massa minima per le galassie che dipende dal valore esatto della massa della particella. Quello che abbiamo fatto è stato quindi andare a caccia di galassie, in particolare quelle più piccole, per ottenere una stima della loro abbondanza quando l’Universo era estremamente giovane. Questo ci ha permesso di porre un limite inferiore alla massa delle particelle di materia oscura».
In genere si dice che la cold dark matter sia il modello migliore, che cosa le manca per essere scelta come teoria più accreditata?
«Diverse quantità osservabili riguardanti le galassie di piccola massa, come la densità centrale degli aloni di materia oscura, la quantità di sottostruttura negli aloni di materia oscura o il rapporto tra massa di materia oscura e massa stellare, indicano che in queste galassie l’efficienza di formazione stellare nello scenario di cold dark matter deve essere fortemente soppressa (un effetto spesso chiamato “feedback”). Quindi nello scenario di materia oscura fredda soltanto assumendo condizioni molto peculiari si può ottenere una descrizione soddisfacente per le proprietà delle galassie nane. Sebbene queste condizioni siano possibili, gli scenari previsti dalla warm dark matter costituirebbero una naturale descrizione per le proprietà statistiche delle galassie nane sotto condizioni più generiche di “feedback”. Inoltre recenti osservazioni di una riga di emissione a 3.500 eV (elettronvolt) nello spettro in raggi X nell’ammasso di Perseo (non ancora chiaramente attribuita ad alcuna transizione atomica) potrebbe essere la segnatura del decadimento di neutrini sterili di massa pari a circa 7.000 eV, candidati di warm dark matter molto ben motivati in fisica delle particelle».
Funzioni di massa per diversi valori di massa di un’ipotetica particella di Warm Dark Matter. Le regioni colorate a sinistra corrispondono alla densità osservata di galassie a grandi distanze (redshift 6-8) entro diversi livelli di confidenza. Crediti: Menci et al. 2016
Cosa avete trovato di interessante nei dati raccolti da Hubble?
«Per vincolare la massa delle particelle di materia oscura è necessario misurare l’abbondanza di galassie molto piccole, e quindi anche estremamente deboli (parliamo di magnitudini assolute di circa -12 nell’ultravioletto). Abbiamo a che fare con oggetti molto distanti, risalenti all’epoca di formazione delle galassie nane, ovvero intorno al 600 milioni di anni dopo il Big Bang. Ciò costituisce una sfida proibitiva anche per un telescopio spaziale potente come Hubble. Recentemente, però, è stato intrapreso un programma osservativo, chiamato Hubble Frontier Fields, che permette di usare gli ammassi di galassie come “lenti gravitazionali” che amplificano il flusso di luce proveniente da galassie distanti. In tal modo un team statunitense è stato in grado di misurare le abbondanze di galassie nane con magnitudini record di -12.5 nell’ultravioletto, a distanze compatibili con quella remota fase di formazione. Questo ci ha permesso di ottenere un limite inferiore tra 2.100 e 3.000 eV (a diversi livelli di confidenza) per la massa delle particelle di materia oscura. È importante sottolineare che questo limite è indipendente dai processi di formazione stellare, in quanto una data massa delle particelle di materia oscura corrisponde a una certa abbondanza massima di galassie. L’osservazione di un’abbondanza maggiore rispetto al valore massimo predetto per un certo scenario di materia oscura determina quindi l’esclusione di quel modello indipendentemente dalle proprietà luminose delle galassie».
Cosa vi aspetta in futuro? Avete già pianificato nuove osservazioni?
«Il programma dell’Hubble Frontier Fields prevede di osservare sei campi corrispondenti ad altrettanti ammassi di galassie. I risutati fionora ottenuti sono basati soltanto su due di questi campi (corrispondenti agli ammassi di galassie Abell 2744 e MACS 0416). In futuro, la migliore statistica che sarà disponibile quando tutti i sei campi saranno osservati permetterà di ridurre l’errore statistico sulle abbondanze misurate e quindi di ottenere vincoli ancora più stringenti sulla massa delle particelle di materia oscura. Uno dei vantaggi, ad esempio, è che dimezzare l’attuale incertezza statistica sull’abbondanza di galassie può portare a spingere il limite inferiore sulla massa delle particelle di warm dark matter a masse oltre 3.000 eV. Ovviamente, osservazioni analoghe con il futuro James Webb Space Telescope potranno fornire vincoli ancora più stringenti, in grado di escludere o di supportare gli scenari di warm dark matter».
Per maggiori informazioni:
- Leggi su Astrophysical Journal Letters l’articolo “A Stringent Limit on the Warm Dark Matter Particle Masses from the Abundance of z = 6 Galaxies in the Hubble Frontier Fields” di N. Menci, A. Grazian, M. Castellano e N.G. Sanchez