In parole povere, si ritiene che Dark Matter non solo rappresenti la maggior parte della massa dell'Universo, ma funga anche da impalcatura su cui sono costruite le galassie. Ma per trovare prove di questa massa misteriosa e invisibile, gli scienziati sono costretti a fare affidamento su metodi indiretti simili a quelli usati per studiare i buchi neri. In sostanza, misurano come la presenza della Materia Oscura influenzi le stelle e le galassie nelle sue vicinanze.
Ad oggi, gli astronomi sono riusciti a trovare prove di ammassi di materia oscura attorno a galassie medie e grandi. Utilizzo dei dati dal Telescopio spaziale Hubble e una nuova tecnica di osservazione, un team di astronomi dell'UCLA e della JPL della NASA hanno scoperto che la materia oscura può formare blocchi molto più piccoli di quanto si pensasse in precedenza. Questi risultati sono stati presentati questa settimana al 235 ° incontro dell'American Astronomical Society (AAS).
La teoria più ampiamente accettata su Dark Matter afferma che non è costituita dalle stesse cose della barionica (nota anche come materia normale o "luminosa"), ovvero protoni, neutroni ed elettroni. Invece, Dark Matter è teorizzato per essere costituito da una sorta di particella subatomica sconosciuta che interagisce con la materia normale solo attraverso la gravità, la più debole delle forze fondamentali - le altre sono forze nucleari elettromagnetiche, forti e deboli.
Un'altra teoria ampiamente accettata afferma che la materia oscura si muove lentamente rispetto ad altri tipi di particelle e quindi è soggetta a aggregazione. In conformità con questa idea, l'Universo dovrebbe contenere una vasta gamma di concentrazioni di materia oscura, che vanno da piccole a grandi. Tuttavia, fino ad ora, non sono mai state osservate piccole concentrazioni.
Utilizzando i dati ottenuti dalla Wide Field Camera 3 (WFC3) di Hubble, il team di ricerca ha cercato di trovare prove di questi piccoli gruppi misurando la luce dai nuclei luminosi di otto galassie distanti (alias quasars) per vedere come viene influenzata mentre viaggia attraverso lo spazio. Questa tecnica, che viene comunemente utilizzata dagli astronomi per studiare galassie distanti, ammassi stellari e persino esopianeti, è nota come lente gravitazionale.
Originariamente previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein, questa tecnica si basa sulla forza gravitazionale di grandi oggetti cosmici per deformare e ingrandire la luce proveniente da oggetti più distanti. Daniel Gilman dell'UCLA, che era un membro del gruppo di osservazione, spiegò così il processo:
“Immagina che ognuna di queste otto galassie sia una lente d'ingrandimento gigante. Piccoli ciuffi di materia oscura agiscono come piccole crepe sulla lente d'ingrandimento, alterando la luminosità e la posizione delle quattro immagini quasar rispetto a ciò che ti aspetteresti di vedere se il vetro fosse liscio. ”
Come sperato, il Hubble le immagini hanno mostrato che la luce proveniente da questi otto quasar era soggetta ad un effetto di lente coerente con la presenza di piccoli ciuffi lungo la linea di vista del telescopio e dentro e intorno alle galassie di lenti in primo piano. Gli otto quasar e le galassie erano allineati in modo così preciso che l'effetto di deformazione produceva quattro immagini distorte di ciascun quasar.
Utilizzando elaborati programmi di calcolo e intense tecniche di ricostruzione, il team ha quindi confrontato il livello di distorsione con le previsioni di come apparivano i quasar senza l'influenza della Materia Oscura. Queste misurazioni sono state anche utilizzate per calcolare le masse delle concentrazioni di materia oscura, il che indicava che erano da 1/100 a 1/100.000 volte la massa dell'alone della Materia Oscura della Via Lattea.
Oltre ad essere la prima volta che sono state osservate piccole concentrazioni, i risultati del team confermano una delle previsioni fondamentali della teoria della "materia oscura fredda". Questa teoria postula che, poiché Dark Matter si muove lentamente (o "freddo"), è in grado di formare strutture che vanno da concentrazioni minuscole a tremende che sono diverse volte la massa della Via Lattea.
Questa teoria afferma anche che tutte le galassie nell'Universo si sono formate all'interno di nuvole di Materia Oscura conosciute come "aloni" e si sono incorporate in esse. Al posto di prove di gruppi di piccole dimensioni, alcuni ricercatori hanno suggerito che la materia oscura potrebbe effettivamente essere “calda” - cioè in rapido movimento - e quindi troppo veloce per formare concentrazioni più piccole.
Tuttavia, le nuove osservazioni offrono una prova definitiva che la teoria della materia oscura fredda e il modello cosmologico che supporta - il modello Lambda Cold Dark Matter (? CDM) - è corretta. Come ha spiegato il membro del team Prof. Tommaso Treu dell'Università della California, Los Angeles (UCLA), questi ultimi Hubble le osservazioni forniscono nuove intuizioni sulla natura della materia oscura e su come si comporta.
"Abbiamo fatto un test osservazionale molto convincente per il modello della materia oscura fredda e passa a pieni voti", ha detto. "È incredibile che dopo quasi 30 anni di attività, Hubble consenta viste all'avanguardia sulla fisica fondamentale e sulla natura dell'universo che non sognavamo nemmeno quando fu lanciato il telescopio."
Anna Nierenberg, una ricercatrice del Jet Propulsion Laboratory della NASA che ha guidato il Hubble sondaggio, spiegato ulteriormente:
La ricerca di concentrazioni di materia oscura prive di stelle si è rivelata impegnativa. Il team di ricerca di Hubble, tuttavia, ha usato una tecnica in cui non era necessario cercare l'influenza gravitazionale delle stelle come traccianti della materia oscura. Il team ha preso di mira otto "lampioni" cosmici potenti e distanti, chiamati quasar (regioni attorno a buchi neri attivi che emettono enormi quantità di luce). Gli astronomi hanno misurato il modo in cui la luce emessa dall'ossigeno e dai gas al neon in orbita attorno a ciascuno dei buchi neri dei quasar è deformata dalla gravità di un'enorme galassia in primo piano, che agisce come una lente d'ingrandimento.
Il numero di piccole strutture rilevate nello studio offre più indizi sulla natura delle particelle di materia oscura poiché le loro proprietà influenzerebbero il numero di grumi che si formano. Tuttavia, il tipo di particella di cui è composta Dark Matter rimane per il momento un mistero. Fortunatamente, lo spiegamento di telescopi spaziali di prossima generazione nel prossimo futuro dovrebbe aiutare in tal senso.
Questi includono il James Webb Space Telescope (JWST) e il Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), entrambi osservatori a infrarossi che dovrebbero salire su questo decennio. Con la loro sofisticata ottica, spettrometri, ampio campo visivo e alta risoluzione, questi telescopi saranno in grado di osservare intere regioni dello spazio colpite da enormi galassie, ammassi di galassie e i loro rispettivi aloni.
Questo dovrebbe aiutare gli astronomi a determinare la vera natura della materia oscura e come appaiono le sue particelle costituenti. Allo stesso tempo, gli astronomi intendono utilizzare questi stessi strumenti per saperne di più sull'Energia Oscura, un altro grande mistero cosmologico che per ora può essere studiato solo indirettamente. Ci aspettano tempi entusiasmanti!
