La distribuzione di materia oscura (sinistra) e di gas (destra) intorno all’ammasso di galassie più massiccio nella simulazione cosmologica Illustris. Crediti: Illustris Collaboration
Così come la pianta urbanistica di una città, con i suoi quartieri più o meno densamente popolati, riflette la storia del territorio e può conservare addirittura memoria di eventi di rilevanza nazionale o globale, così la distribuzione di massa negli ammassi di galassie – le più grandi strutture cosmiche tenute insieme dalla gravità – contiene indizi sull’intero universo e la sua storia evolutiva. Lo dimostra un nuovo studio condotto da un team di astrofisici dell’Osservatorio di Parigi e dell’Inaf di Bologna, che ha stimato la densità cosmica di materia, il suo livello di strutturazione e il tasso di espansione dell’universo a partire dal grado di “sparsità” degli ammassi di galassie.
Cosa si intende esattamente per sparsità? Il contrario di concentrazione. «Per essere concreti, più un ammasso è concentrato e minore è la sua sparsità; al contrario più un ammasso è sparso e minore è la sua concentrazione», spiega a Media Inaf Pier-Stefano Corasaniti, ricercatore italiano presso l’Osservatorio di Parigi e primo autore del lavoro, in pubblicazione sulla rivista The Astrophysical Journal.
La sparsità degli ammassi di galassie
Come suggerisce il nome, gli ammassi di galassie contengono decine, centinaia o addirittura migliaia di galassie, ma non solo. Da un lato, sono pervasi di gas caldo intergalattico, con temperature di decine milioni di gradi centigradi e oltre, che emette nei raggi X; dall’altro, sono inglobati all’interno di “aloni” di materia oscura, non visibile direttamente ma solo attraverso i suoi effetti gravitazionali sulla materia “ordinaria”, o barionica, ad esempio quando agisce da lente gravitazionale sulle immagini di galassie ancora più distanti. Questi enormi assembramenti cosmici sono il risultato finale del processo gerarchico di formazione delle strutture cosmiche: mentre la materia barionica si concentra all’interno degli aloni di materia oscura, formando poi stelle e galassie, le successive fusioni di questi aloni nel corso della storia dell’universo portano alla formazione degli aloni più grandi e massicci, invisibile impalcatura degli ammassi di galassie.
La sparsità di un ammasso (sparsity in inglese) è un concetto introdotto nel 2014 dallo stesso Corasaniti insieme a Irène Balmès, all’epoca dottoranda nel suo gruppo di ricerca. Si calcola come il rapporto tra la massa contenuta in due sfere di raggi diversi centrate sul cuore dell’ammasso e fornisce una stima di quanto sia sparpagliata la massa nell’alone di materia oscura che ospita l’ammasso in questione. Quello che rende interessante questa quantità è la sua dipendenza dai diversi processi che portano alla formazione degli aloni, i quali a loro volta dipendono da come nascono e si evolvono le strutture cosmiche all’interno dell’universo in espansione. Misurare la sparsità degli ammassi e come questa cambia attraverso la storia del cosmo permette dunque di porre vincoli sui modelli cosmologici, e su alcuni dei loro parametri, complementari a quelli ottenuti dall’analisi di altre osservazioni, per esempio la distribuzione degli ammassi nel corso dell’evoluzione cosmica – il cosiddetto “metodo dei conteggi”.
«La dipendenza della sparsity da questi parametri la si può comprendere in maniera intuitiva come segue: in un universo con maggiore densità di materia o con una ampiezza maggiore delle fluttuazioni di densità primordiale o con un più alto tasso di espansione, le strutture cosmiche si formano prima», prosegue Corasaniti. «Questo fa sì che gli aloni di materia oscura assemblino maggior massa nelle regioni interne e dunque risultino meno sparsi (o più concentrati) rispetto al caso di un universo dove densità di materia, ampiezza delle fluttuazioni o tasso di espansione sono inferiori».
Facile a dirsi, molto più complesso in pratica, come spesso accade «quando si vuole uscire dai sentieri battuti per crearne dei nuovi» specifica il ricercatore. E così cinque anni fa Corasaniti inizia a lavorare insieme a Mauro Sereno e Stefano Ettori dell’Inaf di Bologna per affrontare il problema e le tante domande che ne derivano: su quali quantità occorre fare la media per decodificare al meglio il segnale cosmologico nascosto? Come calcolare le previsioni da confrontare con i dati? Quali sono le osservazioni più adatte per questo tipo di analisi?
Distorsione di galassie lontane causate dall’ammasso Macj 1206, che agisce da lente gravitazionale, in un’immagine del telescopio spaziale Hubble. Crediti: Nasa, Esa, G. Caminha (University of Groningen), M. Meneghetti (Inaf-Observatory of Astrophysics and Space Science of Bologna), P. Natarajan (Yale University), and the Clash team
Dagli ammassi alla cosmologia
Uno studio di fattibilità appare nel 2018, corredato da un primo esempio concreto di analisi dati applicata a un campione di circa cento ammassi osservati nei raggi X. Ben due anni solo per realizzare nuove simulazioni di grandi volumi cosmologici con la risoluzione sufficiente ad affrontare questi quesiti. Oggi, finalmente, i risultati finali, basati su un campione di 317 ammassi (3 volte più grande rispetto al precedente) e usando stime precise di massa ottenute mediante misure del fenomeno di lente gravitazionale. Queste ultime consentono di determinare direttamente la massa totale degli ammassi, un vantaggio rispetto alla precedente stima basata sui dati in X, la quale assume che il gas intergalattico si trovi in equilibrio idrostatico – che non è sempre il caso.
Una delle complicazioni del nuovo metodo è dovuta al fatto che la sparsità degli ammassi dipende contemporaneamente dalla densità di materia dell’universo, dall’ampiezza delle fluttuazioni di densità su grande scala e dal tasso di espansione dell’universo, e l’effetto che uno di questi tre parametri ha sulla sparsità può essere compensato dalla variazione opposta di un altro di essi. Per aggirare l’ostacolo, che in gergo si chiama “degenerazione”, i ricercatori hanno aggiunto indizi extra provenienti da altri due tipi di osservazioni sensibili a questi parametri: le oscillazioni barioniche acustiche (baryon acoustic oscillation, o Bao) – ovvero il segnale delle fluttuazioni di densità nell’universo primordiale, rimasto “impresso” nella distribuzione delle galassie su grande scala – e la frazione di gas barionico (baryon fraction) negli ammassi, misurata attraverso l’emissione nei raggi X.
Così facendo, la stima dei tre parametri in questione ottenuta con questo metodo ha una precisione paragonabile a quella di altre tecniche standard. Contrariamente alle stime ottenute dai conteggi degli ammassi, i valori ottenuti con il nuovo metodo sono in buon accordo con i più recenti risultati basati sull’analisi del fondo cosmico a microonde (cosmic microwave background, o Cmb) osservato con il satellite Planck dell’Esa, che ha anche misurato le proprietà degli ammassi di galassie mediante l’effetto Sunyaev-Zel’dovich.
L’ammasso di galassie Xlssc006; il gas caldo che emette nei raggi X è mostrato in viola. Crediti: Esa/Xmm-Newton (raggi X); Cfht (ottico); Xxl Survey
«Il nostro lavoro mostra un metodo efficace, e del tutto complementare ai metodi standard basati sui conteggi di aloni, per misurare alcuni parametri cosmologici fondamentali usando la distribuzione relativa di materia oscura (tracciata dalla sparsity) e barionica (mappata dalla baryon fraction) negli ammassi di galassie», commenta Ettori.
I ricercatori si aspettano che l’uso combinato di queste differenti quantità derivanti dalle osservazioni di ammassi di galassie possa permettere di limitare l’impatto di errori sistematici e dunque ottenere delle stime dei parametri cosmologici non solo più precise ma anche più accurate.
La costante di Hubble
Di particolare interesse è l’accordo con i risultati di Planck per quanto riguarda la stima del tasso d’espansione dell’universo – la costante di Hubble (h) per intenderci. Su questo parametro è infatti in corso un acceso dibattito da diversi anni a causa della discrepanza, o “tensione” tra il valore indicato da Planck, basato su misure dell’universo primordiale, e quello – significativamente più alto – stimato sulla base di misure di distanza nell’universo locale.
«Se prendiamo la stima di h ottenuta dai dati delle Bao che abbiamo usato nella nostra analisi, si trova h=0.72 con una incertezza di ±0.04, quindi molto distante dal valore di Planck-Cmb che e’ di h=0.674 ± 0.005. Però se combiniamo le Bao con le misure di sparsità degli ammassi, queste danno h=0.662 ± 0.02 che è perfettamente in accordo con la stima di Planck», spiega Corasaniti. «Ciò implica che le misure di sparsità, affinché siano consistenti con l’informazione cosmologica contenuta nelle Bao, preferiscono un valore di h che è vicino a quello ottenuto dall’analisi della Cmb. Il valore di h si sposta leggermente verso l’alto quando includiamo le misure della frazione di gas degli ammassi, h=0.696 ± 0.017, ma la stima rimane consistente entro gli errori statistici con il valore di Planck. Tutto ciò suggerisce che lo studio degli ammassi e la misura dei diversi osservabili che li caratterizzano possano contribuire al dibattito sul valore di h».
Decisamente avvincenti dunque le prospettive del nuovo lavoro, che porta a compimento un progetto a lungo termine durato cinque anni e in qualche modo apre la strada a un nuovo modo di studiare le proprietà degli ammassi di galassie, non solo per la cosmologia ma anche per quanto riguarda i processi astrofisici che hanno luogo all’interno degli ammassi stessi. «Producendo questa analisi poniamo anche altri limiti interessanti, e più di natura astrofisica, come il valore del depletion parameter che indica quanto dei barioni disponibili nel cosmo, e misurati rispetto a tutta la massa – barionica e non – finisce nelle regioni collassate dell’ammasso di galassie, con implicazioni sui processi che guidano questo collasso», sottolinea Ettori.
In vista dell’avvento di grandi cataloghi di ammassi, come quelli attesi dalle osservazioni del satellite Esa Euclid, lo sviluppo di nuovi metodi come questo, da usare in combinazione con le rodate tecniche tradizionali, promette di affinare sempre di più le stime dei parametri cosmologici e chissà, forse anche di risolvere l’annoso dibattito sulla costante di Hubble. Ai dati futuri l’ardua sentenza.
Per saperne di più:
- Leggi su arXiv.org il preprint dell’articolo “Cosmological constraints from galaxy cluster sparsity, cluster gas mass fraction and baryon acoustic oscillations data” di Pier-Stefano Corasaniti, Mauro Sereno e Stefano Ettori