Gli astronomi mappano la materia oscura indirettamente, attraverso la sua attrazione gravitazionale su altri oggetti.
Paul M. Sutter è un astrofisico a La Ohio State University, ospite di Chiedi a un astronauta e Space Radioe autore di "Il tuo posto nell'universo."Sutter ha contribuito a questo articolo Voci degli esperti di Space.com: Op-Ed & Insights.
Lo studio moderno dell'intero universo, la branca della scienza nota come cosmologia, deve il suo status attuale a molte figure di spicco, risalenti a quasi un secolo di ricerche dedicate e duramente conquistate.
Alcuni di questi nomi potrebbero essere familiari: Albert Einstein, Edwin Hubble, Vera Rubin, ecc. Ma recentemente il comitato del Premio Nobel ha riconosciuto i contributi di un nome che potresti non riconoscere, Jim Peebles e gli ha dato la metà del premio di fisica 2019, "per contributi alla nostra comprensione dell'evoluzione dell'universo e del posto della Terra nel cosmo".
Basti dire che la cosmologia non sarebbe dove si trova oggi senza gli sforzi di Jim Peebles. Una cosa è dichiarare il Modello Big Bang nella semplicità del retro della maglietta (ad esempio, "l'universo era più piccolo e più caldo, e ora non lo è"), ma è una cosa completamente diversa trasformarla in una precisa formulazione matematica in grado di fare previsioni per confrontare osservazioni. È giusto dire che Peebles ha contribuito a trasformare la cosmologia da "idea ordinata e generalmente corretta" a "un campo della vera scienza". Esploriamo tre strade principali in cui le sue intuizioni ci hanno guidato:
Lo sfondo cosmico a microonde
Se l'universo primordiale era più piccolo di oggi, allora doveva anche essere più caldo e più denso. E una volta accettata questa realtà, ti rendi presto conto che, ad un certo punto in un lontano passato, l'universo deve essere stato così denso e così caldo da esistere in uno stato della materia completamente diverso.
Oltre 13 miliardi di anni fa, quando l'universo era circa un milionesimo del suo volume attuale, tutta la roba del cosmo era così smussata insieme che era un plasma, uno stato della materia in cui gli elettroni sono strappati dagli atomi e liberi di vagare per conto proprio. Allora, l'universo era piuttosto intenso.
Ma poi è invecchiato, è diventato più grande ed è diventato più freddo. E a una certa età, le temperature e le pressioni sono scese al di sotto di una soglia critica e gli elettroni sono stati in grado di attaccarsi agli atomi senza essere immediatamente eliminati. In un lampo, l'universo divenne trasparente alle radiazioni e quella luce - letteralmente bianca al momento del suo rilascio - persiste fino ai giorni nostri, immergendo il cosmo.
Ma oggi quella luce ha perso molto vapore e si raffredda a pochi gradi sopra lo zero assoluto, saldamente nella banda delle microonde. Questo "sfondo cosmico a microonde"fu scoperto per caso da una coppia di fisici a microonde nel 1964, ma a loro insaputa un gruppo di teorici tra cui Peebles ne aveva già predetto l'esistenza. I fisici a microonde vinsero il Nobel nel 1978, ma non è mai troppo tardi per riconoscere il comitato Nobel anche i teorici.
Materia oscura
Negli anni '70, astronomo Vera Rubin ho scoperto qualcosa di divertente nelle galassie: le stelle al loro interno stavano orbitando troppo in fretta. Così rapidamente, infatti, che le galassie avrebbero dovuto separarsi miliardi di anni fa. Ma eccoli lì, felici come le vongole.
Cosa stava succedendo? Non abbiamo capito qualcosa sulla natura della gravità su scale grandi come le galassie? O l'universo aveva un ingrediente in più che ci era stato nascosto fino alle osservazioni di Rubin?
Alcuni astronomi, compresa la stessa Rubin, pensavano che avessimo bisogno di modificare le leggi della fisica per ottenere le cose giuste. Ma altri, tra cui Peebles, hanno pensato che in una galassia ci fosse più di quello che sembra. Era uno dei primi sostenitori di quella che ora chiamiamo "materia oscura fredda" - una nuova forma di materia che non interagisce con la luce (e quindi non interagisce con nient'altro che attraverso la gravità). Ora lo sappiamo materia oscura satura l'universo, sommergendo la materia normale di almeno un rapporto 5: 1.
Peebles e collaboratori hanno svolto il compito di indagare sul significato di questa nuova ipotesi in termini di comportamento della galassia e hanno fornito test utili agli osservatori per individuare e misurare.
Oggi, mentre ancora non comprendiamo appieno la materia oscura - e non abbiamo ancora individuato la sua esatta identità - le prove provengono da più angolazioni, comprese sottili impronte sullo stesso fondo cosmico a microonde, che la materia oscura è un ingrediente principale del nostro universo.
Struttura cosmica
Ma Peebles non si è fermato ai primi momenti del Big Bang o ai componenti misteriosi e invisibili del nostro universo. Peebles è andato alla grande.
Vediamo nell'universo intorno a noi ogni sorta di diversi tipi di galassie in tutti i tipi di disposizioni fantasiose. Alcune galassie sono legate insieme in ammassi giganti, mentre altre sono solitari. Alcuni sono enormi e voluminosi, mentre altri sono piccoli e appena percettibili. E quando eseguiamo lo zoom indietro sulle scale più grandi, vediamo un vasto "ragnatela cosmica, "il modello più grande trovato in natura, una struttura che si estende da un'estremità dell'universo visibile all'altra.
La ragnatela cosmica è fatta di galassie e, come suggerisce il nome, sembra una ragnatela cosmica.
Come ha fatto quello accadere?
Peebles e i suoi amici hanno aperto la strada alla spiegazione delle origini della rete cosmica, scoprendo che le strutture nel nostro universo crescono lentamente nel tempo, accumulandosi da parti più piccole a parti più grandi ad ogni eone che passa.
Hanno scoperto come cercare tracce di semi di struttura sullo sfondo cosmico a microonde, visibili come minuscole variazioni di temperatura non più grandi di 1 parte su 100.000. Tali variazioni erano le posizioni delle prime pozze di densità leggermente superiore alla media, dove più materia (specialmente la materia oscura!) Sarebbe fluita nel corso di milioni di anni.
Alla fine quelle piccole pepite crescono fino a diventare galassie, e alcune galassie si uniscono per formare ammassi di galassie. E poiché tutta quella roba usata per costruire queste grandi strutture doveva provenire da qualche parte, vaste regioni vuote si aprivano e si espandevano. Questi divennero gli spazi vuoti nella rete cosmica, noti come vuoti.
Nel corso dei decenni Jim Peebles ha scritto centinaia di articoli e ha collaborato con centinaia di astronomi, astrofisici, fisici e cosmologi, ed è stato un attore critico nella pittura del ritratto dell'universo che ora capiamo.
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