Dall'età d'oro della relatività generale negli anni '60, gli scienziati hanno sostenuto che gran parte dell'universo è costituito da una misteriosa massa invisibile nota come "materia oscura". Da allora, gli scienziati hanno tentato di risolvere questo mistero con un duplice approccio. Da un lato, gli astrofisici hanno tentato di trovare una particella candidata che potesse spiegare questa massa.
Dall'altro, gli astrofisici hanno cercato di trovare una base teorica che potesse spiegare il comportamento di Dark Matter. Finora, il dibattito si è incentrato sulla questione se sia "caldo" o "freddo", con il freddo che gode di un vantaggio a causa della sua relativa semplicità. Tuttavia, un nuovo studio condotto dal Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA)
Questo si basava su simulazioni cosmologiche della formazione di galassie usando un modello di un universo che includeva la materia oscura interattiva. Le simulazioni sono state condotte da un team internazionale di ricercatori della CfA, dall'Istituto Kavli di astrofisica e ricerca spaziale del MIT, dall'Istituto di astrofisica di Leibniz di Potsdam e da diverse università. Lo studio è apparso di recente nel Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.
Quando si arriva proprio ad esso, Dark Matter ha un nome appropriato. Per cominciare, costituisce circa l'84% della massa dell'Universo, ma non emette, assorbe o riflette la luce o qualsiasi altra forma nota di radiazione. In secondo luogo, non ha carica elettromagnetica e non interagisce con altra materia se non per gravità, la più debole delle quattro forze fondamentali.
Terzo, non è composto da atomi o dai loro soliti mattoni (cioè elettroni, protoni e neutroni), che contribuisce alla sua natura misteriosa. Di conseguenza, gli scienziati teorizzano che deve essere costituito da un nuovo tipo di materia che è coerente con le leggi dell'Universo ma non si presenta nella ricerca convenzionale sulla fisica delle particelle.
Indipendentemente dalla sua vera natura, Dark Matter ha avuto una profonda influenza sull'evoluzione del cosmo da circa 1 miliardo di anni dopo il Big Bang in poi. In effetti, si ritiene che abbia svolto un ruolo chiave in tutto, dalla formazione di galassie alla distribuzione della radiazione cosmica a microonde (CMB).
Inoltre, i modelli cosmologici che tengono conto del ruolo svolto da Dark Matter sono supportati dalle osservazioni di questi due tipi molto diversi di strutture cosmiche. Inoltre, sono coerenti con parametri cosmici come la velocità con cui l'Universo si sta espandendo, che è esso stesso influenzato da una forza misteriosa e invisibile (nota come "Energia Oscura").
Attualmente, i modelli più largamente accettati della materia oscura presumono che non interagisca con nessun altro tipo di materia o radiazione (incluso se stesso) al di là dell'influenza della gravità, ovvero che sia "freddo". Questo è ciò che è noto come lo scenario Cold Dark Matter (CDM), che è spesso combinato con la teoria dell'Energia Oscura (rappresentata da Lambda) nella forma del modello cosmologico LCDM.
Questa forma teorica di materia oscura è anche indicata come
“[CDM] è il modello più collaudato e preferito. Ciò è dovuto principalmente al fatto che negli ultimi quattro decenni circa, le persone hanno lavorato duramente per fare previsioni usando Cold Dark Matter come paradigma standard - questi sono poi confrontati con dati reali - con la scoperta che, in generale, questo modello è in grado di riprodurre una vasta gamma di fenomeni osservati su una vasta gamma di scale. "
Mentre lo descrive, il freddo scenario della Materia Oscura è diventato il primo arrivato dopo che le simulazioni numeriche dell'evoluzione cosmica stavano conducendo usando la “Materia Oscura calda” - in questo caso, il neutrino. Queste sono particelle subatomiche che sono molto simili a un
Queste simulazioni hanno mostrato che le distribuzioni previste non assomigliano per niente all'Universo oggi ”, ha aggiunto Bose. "Per questa ragione, è iniziato a considerare il limite opposto, particelle che hanno appena una velocità quando sono nate (alias" freddo "). Le simulazioni che includevano questo candidato si adattano molto più da vicino alle moderne osservazioni dell'Universo.
“Dopo aver eseguito gli stessi test di raggruppamento di galassie di prima, gli astronomi hanno trovato un sorprendente accordo tra gli universi simulati e osservati. Nei decenni successivi, la particella fredda è stata testata attraverso test più rigorosi e non banali rispetto al semplice raggruppamento di galassie, e generalmente ha superato ciascuno di questi a pieni voti. "
Un'altra fonte di attrazione è il fatto che la materia oscura fredda (almeno teoricamente) dovrebbe essere rilevabile direttamente o indirettamente. Tuttavia, è qui che il CDM si trova in difficoltà poiché finora tutti i tentativi di rilevare una singola particella sono falliti. Come tale, i cosmologi hanno preso in considerazione altri possibili candidati che avrebbero livelli di interazione ancora più piccoli con altra materia.
Questo è ciò che Sownak Bose, un astronomo del CfA, ha cercato di determinare con il suo team di ricercatori. Per motivi di studio, si sono concentrati su un candidato "caldo" della materia oscura. Questo tipo di particella avrebbe la capacità di interagire sottilmente con particelle molto leggere che si avvicinano alla velocità della luce, sebbene meno della varietà "calda" più interattiva.
In particolare, potrebbe essere in grado di interagire con i neutrini, l'ex front-runner per lo scenario HDM. Si pensa che i neutrini fossero molto diffusi durante il caldo universo primordiale, quindi la presenza di Dark Matter interagente avrebbe avuto una forte influenza.
"In questa classe di modelli, la particella Dark Matter può avere un'interazione finita (ma debole) con una specie radiativa come fotoni o neutrini", ha detto il dott. Bose. "Questo accoppiamento lascia un'impronta piuttosto singolare nella" nodosità "dell'Universo nei primi tempi, il che è molto diverso da quello che ci si potrebbe aspettare se la Materia Oscura fosse una particella fredda."
Per testare questo, il team ha eseguito simulazioni cosmologiche all'avanguardia nelle strutture di supercalcolo di Harvard e dell'Università dell'Islanda. Queste simulazioni hanno considerato come la formazione della galassia sarebbe influenzata dalla presenza di materia calda e materia oscura da circa 1 miliardo dopo il Big Bang a 14 miliardi di anni (circa il presente). Il dottor Bose ha indicato:
“[W] abbiamo eseguito simulazioni al computer per generare realizzazioni di come potrebbe apparire questo Universo dopo 14 miliardi di anni di evoluzione. Oltre a modellare la componente Materia Oscura, abbiamo incluso anche prescrizioni all'avanguardia per la formazione stellare, gli effetti di supernovae e buchi neri, la formazione di metalli eccetera.”
Il team ha quindi confrontato i risultati tra loro per identificare le firme caratteristiche che distinguerebbero l'una dall'altra. Ciò che hanno scoperto è che per molte simulazioni gli effetti di questa materia oscura interattiva erano troppo piccoli per essere evidenti. Tuttavia, erano presenti in alcuni modi distinti, in particolare nel modo in cui le galassie distanti sono distribuite nello spazio.
Questa osservazione è particolarmente interessante perché può essere testata in futuro utilizzando strumenti di prossima generazione. "Il modo per farlo è mappare la nodosità dell'Universo in questi primi tempi guardando alla distribuzione dell'idrogeno", ha spiegato il dott. Bose. "Osservazionalmente, questa è una tecnica ben consolidata: possiamo sondare l'idrogeno neutro nell'universo primordiale guardando gli spettri di galassie distanti (di solito quasar)."
In breve, la luce che viaggia verso di noi da galassie distanti deve passare attraverso il mezzo intergalattico. Se c'è molto idrogeno neutro nel mezzo intermedio, le linee di emissione dalla galassia saranno parzialmente assorbite, mentre non saranno impedite se c'è poco. Se Dark Matter è veramente freddo, si presenterà sotto forma di una distribuzione molto più "lumpier" dell'idrogeno gassoso, mentre uno scenario WDM si tradurrà in grumi oscillanti.
Attualmente, gli strumenti astronomici non hanno la risoluzione necessaria per misurare le oscillazioni dell'idrogeno gassoso nell'Universo primordiale. Ma come indicato dal dott. Bose, questa ricerca potrebbe fornire impulso a nuovi esperimenti e nuove strutture che sarebbero in grado di fare queste osservazioni.
Ad esempio, uno strumento IR come il Telescopio spaziale James Webb (JWST) potrebbe essere utilizzato per creare nuove mappe della distribuzione dell'assorbimento di gas idrogeno. Queste mappe sarebbero in grado di confermare l'influenza della materia oscura interattiva o escluderla come candidato. Si spera anche che questa ricerca ispiri le persone a pensare a candidati oltre a quelli che sono già stati considerati.
Alla fine, ha affermato il dott. Bose, il vero valore deriva dal fatto che questo tipo di previsioni teoriche può spronare le osservazioni verso nuove frontiere e testare i limiti di ciò che pensiamo di sapere. "E questo è tutto ciò che la scienza è davvero", ha aggiunto, "fare una previsione, proporre un metodo per testarlo, eseguire l'esperimento e quindi limitare / escludere la teoria!"
