L’immagine mostra 4 dei 13 ammassi di galassie del presente studio: partendo dall’alto a sinistra, Abell 262, Abell 383, Abell 1413 e Abell 2390. In ciascuna di queste immagini, i dati X forniti da Chandra sono rappresentati da un color viola, mentre in rosso, verde e blu sono rappresentati i dati ottici. Crediti: X-ray: Nasa/Cxc/Cinestav/T. Bernal et al.; Optical: Nasa/Stsci
Uno studio di 13 ammassi di galassie ha permesso a tre ricercatori di utilizzare i dati forniti dall’osservatorio spaziale per raggi X Chandra della Nasa per ricavare ulteriori indizi sulle proprietà dell’enigmatica materia oscura. I risultati, pubblicati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, indicano che questa misteriosa, invisibile sostanza, che rappresenta quasi il 30 per cento del contenuto materia-energia dell’universo, possa essere più “sfocata” (fuzzy) che “fredda” (cold), aggiungendo una complessità maggiore a questo paradigma della cosmologia moderna.
È noto, ormai da alcuni decenni, che la materia oscura non può essere osservata direttamente e che l’unico modo in cui interagisce con la materia ordinaria è per mezzo della gravità. Grazie a questa interazione, gli astronomi hanno studiato gli effetti della materia oscura mediante varie tecniche che includono il moto delle stelle nelle galassie, il moto delle galassie negli ammassi e la distribuzione dell’emissione X dovuta al gas caldo presente negli ammassi di galassie. Non solo: la materia oscura ha lasciato anche un’impronta nella radiazione cosmica di fondo, cioè nella luce più antica che siamo in grado di osservare e che risale alla nascita dell’universo 13,8 miliardi di anni fa.
Queste informazioni non sono sufficienti. Gli scienziati stanno infatti tentando di comprendere le proprietà della materia oscura mediante esperimenti di laboratorio ormai sparsi in tutto il globo. Il punto è quello di comprendere come si comporta la materia oscura in tutte le situazioni e, in definitiva, di che cosa è fatta. Secondo il modello maggiormente accettato, la materia oscura sarebbe “fredda”, composta cioè da una particella più massiva del protone, e perciò si muoverebbe con una velocità molto inferiore a quella della luce. Questo modello ha avuto un buon successo nello spiegare la struttura dell’universo su larga scala, ma presenta alcuni problemi quando si vuole descrivere la distribuzione della materia su scale molto più piccole, attorno alle dimensioni delle galassie. Ad esempio, il modello della materia oscura fredda predice che la sua densità sia molto più elevata in prossimità delle regioni centrali delle galassie rispetto alle regioni circostanti. Ma dato che la materia ordinaria viene attratta dalla materia oscura, essa dovrebbe mostrare un picco marcato nel valore della densità nelle regioni centrali delle galassie. Tuttavia, gli astronomi osservano che la densità sia della materia oscura che di quella ordinaria è distribuita molto più uniformemente nel centro delle galassie. Un altro problema che deriva da questo modello è che esso predice un numero di galassie piccole – che orbitano attorno alle galassie più grandi, come la Via Lattea – molto più elevato rispetto a quello che effettivamente viene osservato.
Per affrontare questi problemi sollevati dal modello di materia oscura fredda, gli scienziati hanno proposto idee alternative in cui la materia oscura avrebbe proprietà alquanto differenti. Una di queste parte da un principio della meccanica quantistica secondo il quale ogni particella subatomica possiede contemporaneamente una natura ondulatoria. Se le particelle di materia oscura possiedono una massa estremamente piccola, circa dieci millesimi di trilionesimi di trilionesimi di volte più piccola della massa dell’elettrone, la sua lunghezza d’onda corrispondente dovrebbe essere pari a 3.000 anni luce. Questa distanza, tra un picco dell’onda e il successivo, è circa un ottavo della distanza tra la Terra e il centro della Via Lattea. Per confronto, la lunghezza della più lunga onda di luce, cioè un’onda radio, è di appena alcuni chilometri. Ora, su scale cosmologiche, le onde generate da differenti particelle si possono sovrapporre e interferire le une con le altre, un po’ come le onde che si propagano e interferiscono in uno stagno, agendo così come una sorta di sistema quantistico su scala galattica anziché su scala atomica. Una grande lunghezza d’onda, associata alle particelle, implica una densità di materia oscura molto meno marcata in prossimità delle regioni centrali delle galassie. Perciò, queste particelle dovrebbero apparire “sfocate” se fossero rivelate direttamente: da qui il nome dato a questo modello chiamato, per l’appunto, “fuzzy dark matter model”.
Ma poiché la materia ordinaria è attratta verso la materia oscura, essa sarà distribuita di più su larga scala. Dunque, questo spiegherebbe, in maniera del tutto naturale, la mancanza di una maggiore distribuzione di densità della materia nel centro delle galassie. Questo semplice modello ha avuto un ottimo successo nello spiegare la quantità e la distribuzione della materia oscura nelle galassie più piccole. Ma le galassie più grandi richiedono una descrizione più complessa. Il modello della materia oscura sfocata predice che concentrazioni massive di materia oscura portino a stati quantici multipli (chiamati “stati eccitati”) in cui le particelle di materia oscura possono avere differenti quantità di energia, una situazione simile a quella di un atomo con gli elettroni che si trovano negli orbitali di più alta energia. Questi stati eccitati cambiano al variare della densità di materia oscura in funzione della distanza dal centro dell’ammasso di galassie.
In questo studio, Tula Bernal (National Polytechnic Institute, Mexico City), Victor Robles (University of California, Irvine) e Tonatiuh Matos (National Polytechnic Institute) hanno utilizzato i dati prodotti da Chandra relativi alla distribuzione del gas caldo in 13 ammassi, per verificare se questo modello funziona davvero su scale più grandi rispetto alle dimensioni tipiche delle galassie. I ricercatori hanno utilizzato il satellite della Nasa per stimare sia la quantità di materia oscura in ogni ammasso che la variazione della sua densità in funzione della distanza dal centro dell’ammasso di galassie. Anche nel caso delle galassie, il modello più semplice di materia oscura sfocata, dove le particelle possiedono l’energia più bassa possibile, non concorda con i dati osservativi. Ad ogni modo, gli astronomi trovano invece che il modello in cui le particelle hanno quantità diverse di energia, gli stati eccitati, fornisce un accordo migliore con i dati. Infatti, il modello della materia oscura sfocata può essere altrettanto in accordo con le osservazioni di questi 13 ammassi di galassie o addirittura rappresentare la migliore descrizione rispetto a quella fornita dal modello di materia oscura fredda.
I risultati mostrano che il modello della materia oscura sfocata può essere una strada alternativa a quella del modello della materia oscura fredda, anche se sarà necessario ricavare nuovi dati per verificare questa possibilità. Infine, un effetto importante degli stati eccitati è quello di produrre delle oscillazioni nella distribuzione della densità di materia oscura in funzione della distanza dal centro dell’ammasso. Ciò potrebbe produrre delle increspature anche nella densità di materia ordinaria. L’entità di queste oscillazioni rimane comunque inferiore rispetto all’incertezza presente nei dati. Insomma, sarà necessario uno studio ancora più dettagliato per verificare questa predizione del modello.
Per saperne di più:
- Leggi su arXiv il preprint dello studio “Scalar Field Dark Matter in Clusters of Galaxies“