Immagine composita del “Bullet Cluster”, l’ammasso Proiettile: formato da due ammassi di galassie che si scontrano, il modo in cui agisce da lente gravitazionale è uno fra gli indizi osservativi dell’esistenza della materia oscura. Crediti: X-Ray: Nasa / Cxc / Cfa / M.Markevitch et al.; Lensing map: Nasa/Stsci; Eso Wfi; Magellan / U.Arizona / D.Clowe et al.; Optical: Nasa/Stsci; Magellan / U.Arizona / D.Clowe et al.
L’analisi dei moti delle galassie negli ammassi è stata la prima evidenza sperimentale a suggerire che la materia ordinaria (che forma stelle e pianeti) non fosse l’unica componente dell’universo, ma che la maggior parte della materia nell’universo si trovi in una forma “oscura”, ovvero soggetta a interazioni puramente gravitazionali e non osservabile direttamente in alcuna banda dello spettro.
Le osservazioni dirette del fondo cosmico a microonde hanno confermato questa ipotesi e contribuito a chiarire ulteriori dettagli sulle proprietà della materia oscura e delle strutture da essa formate nel corso delle varie epoche cosmiche. Nel modello cosmologico standard, piccole perturbazioni nella distribuzione iniziale di materia si comportano come “attrattori” di materia: questo processo è estremamente più efficace per la materia oscura che per la materia ordinaria, in virtù del fatto che la prima è soggetta solo alle interazioni gravitazionali. Queste strutture di materia oscura, denominate ’aloni‘, possono aumentare la propria massa sia attraverso accrescimento di particelle circostanti, sia tramite fusioni tra loro, sia tramite cannibalismo di aloni più piccoli.
L’importanza della complessa rete tracciata dagli aloni di materia oscura è data dal fatto che essa rappresenta una sorta di scheletro gravitazionale, sul quale si innesta l’evoluzione delle galassie, formatesi a partire dalla materia ordinaria contenuta e continuamente accresciuta negli aloni stessi. Nonostante le galassie siano soggette a una complessa rete di processi fisici, gli aloni nei quali risiedono continuano a condizionarne il destino. Mentre gli aloni si fondono a formare strutture sempre più grandi, le galassie al loro interno si organizzano in gruppi e ammassi di galassie. In questi agglomerati, le singole galassie sono soggette a nuove interazioni, sia con l’ambiente circostante che tra loro (fino alle fusioni), che possono condizionarne la successiva evoluzione.
Studi in corso e domande aperte
Data la loro ineludibile natura “oscura”, lo studio degli aloni utilizza principalmente dei traccianti indiretti. Ci aspettiamo che gli aloni più grandi e massicci debbano ospitare un numero maggiore di galassie, rispetto alle loro controparti più piccole. Lo studio dei cosiddetti ammassi e gruppi di galassie, ovvero insiemi di oggetti gravitazionalmente legati, ci permette quindi di determinare la statistica e la distribuzione degli aloni a diverse epoche cosmiche.
La materia oscura costituisce circa l’85 per cento della materia totale dell’universo
Un approccio alternativo si basa invece sulle potenzialità degli attuali supercomputer, che, risolvendo numericamente le equazioni del campo gravitazionale, permettono di calcolare l’evoluzione degli aloni (e le loro interazioni) a partire da un campo di densità iniziale simile a quello osservato con il fondo cosmico a microonde. Queste simulazioni possono essere poi accoppiate a modelli teorici per seguire la formazione delle galassie all’interno degli aloni stessi.
Questa situazione è destinata a cambiare radicalmente nei prossimi decenni, grazie a missioni spaziali quali il satellite Esa Euclid, il cui scopo principale è quelle di chiarire la natura delle componenti “oscure” dell’universo. Tra gli obiettivi della missione vi è quello di misurare la distribuzione della materia totale nell’universo utilizzando il meccanismo di “lensing gravitazionale”, predetto dalla teoria della relatività einsteiniana. A questo effetto sono soggetti i fotoni emessi da galassie distanti che si trovino a passare nelle vicinanze di rilevanti “buche di potenziale”, quali le concentrazioni di massa corrispondenti agli aloni di materia oscura.
Il coinvolgimento dell’Istituto nazionale di astrofisica
Il coinvolgimento dei ricercatori dell’Inaf spazia dalla realizzazione di simulazioni numeriche per lo studio della distribuzione degli aloni di materia oscura nelle varie epoche cosmiche (compreso lo studio della formazione delle galassie che in essi risiedono), allo sviluppo – che include sia un contributo tecnologico che di gestione e analisi dei dati – del satellite Esa Euclid (il lancio è in programma per il 2020), progettato per comprendere meglio la natura della materia oscura e dell’energia oscura.
L’autore: Fabio Fontanot è ricercatore Inaf all’Osservatorio astronomico di Trieste.
Su Media Inaf potrai trovare, mano a mano che verranno pubblicate, tutte le schede della rubrica dedicata a Voci e domande dell’astrofisica, scritte dalle ricercatrici e dai ricercatori dell’Istituto nazionale di astrofisica.