Credito d'immagine: Berkeley
La materia oscura è un alone invisibile di materiale che sembra circondare ogni galassia. Fino ad ora, gli astronomi credevano che la materia oscura probabilmente formasse una nebbia uniforme di particelle nello spazio, ma i ricercatori della UC Berkeley e del MIT hanno creato una simulazione al computer di come la materia oscura potesse raggrupparsi in grossi pezzi di materiale.
La "materia oscura" che comprende un quarto dell'universo ancora inosservato non è una nebbia cosmica uniforme, afferma un'Università della California, Berkeley, astrofisica, ma invece forma ammassi densi che si muovono come moti di polvere che danzano in un albero di leggero.
In un articolo presentato questa settimana a Physical Review D, Chung-Pei Ma, professore associato di astronomia presso la UC Berkeley, ed Edmund Bertschinger del Massachusetts Institute of Technology (MIT), dimostrano che il movimento dei ciuffi di materia oscura può essere modellato in un modo simile al moto browniano di polvere o polline trasportati dall'aria.
Le loro scoperte dovrebbero fornire agli astrofisici un nuovo modo di calcolare l'evoluzione di questo universo fantasma della materia oscura e di riconciliarla con l'universo osservabile, ha detto Ma.
La materia oscura è stata un fastidioso problema per l'astronomia per oltre 30 anni. Le stelle all'interno delle galassie e le galassie all'interno dei cluster si muovono in un modo che indica che c'è più materia lì di quanto possiamo vedere. Questa materia invisibile sembra essere in un alone sferico che si estende probabilmente 10 volte più lontano dell'alone stellare visibile attorno alle galassie. Le prime proposte secondo cui la materia invisibile è composta da stelle bruciate o neutrini pesanti non sono state eliminate, e gli attuali candidati preferiti sono particelle esotiche chiamate vari neutrini, assioni o altre ipotetiche particelle supersimmetriche. Poiché queste particelle esotiche interagiscono con la materia ordinaria solo attraverso la gravità, non tramite onde elettromagnetiche, non emettono luce.
"Stiamo vedendo solo la metà di tutte le particelle", ha detto Ma. "Sono troppo pesanti per essere prodotti ora negli acceleratori, quindi metà del mondo non lo sappiamo."
Il quadro è peggiorato solo quattro anni fa quando si è scoperto che "l'energia oscura" è ancora più diffusa della materia oscura. Il racconto cosmico ora stimola l'energia oscura a circa il 69 percento dell'universo, la materia oscura esotica al 27 percento, la materia oscura banale - stelle fioche e invisibili - al 3 percento, e ciò che effettivamente vediamo al solo 1 percento.
Basato su modelli al computer di come la materia oscura si muoverebbe sotto la forza di gravità, Ma ha detto che la materia oscura non è una nebbia uniforme che avvolge ammassi di galassie. Invece, la materia oscura forma piccoli ammassi che sembrano superficialmente come le galassie e gli ammassi globulari che vediamo nel nostro universo luminoso. La materia oscura ha una vita dinamica indipendente dalla materia luminosa, ha detto.
"Lo sfondo cosmico a microonde mostra i primi effetti dell'ammasso di materia oscura e questi ammassi crescono sotto l'attrazione gravitazionale", ha detto. “Ma ognuno di questi ammassi, l'alone attorno agli ammassi di galassie, era considerato liscio. Le persone sono state incuriosite nello scoprire che le simulazioni ad alta risoluzione mostrano che non sono fluide, ma hanno invece strutture complesse. Il mondo oscuro ha una vita dinamica propria ”.
Michael Boylan-Kolchin, studente universitario Ma, Bertschinger e UC Berkeley, ha eseguito alcune di queste simulazioni. Diversi altri gruppi negli ultimi due anni hanno anche mostrato un agglomerato simile.
L'universo fantasma della materia oscura è un modello per l'universo visibile, ha detto. La materia oscura è 25 volte più abbondante della semplice materia visibile, quindi la materia visibile dovrebbe raggrupparsi ovunque si accumuli materia oscura.
Qui sta il problema, ha detto Ma. Le simulazioni al computer dell'evoluzione della materia oscura predicono molti più ammassi di materia oscura in una regione di quanti ci siano ammassi di materia luminosa che possiamo vedere. Se la materia luminosa segue la materia oscura, dovrebbe esserci un numero quasi equivalente di ciascuno.
"La nostra galassia, la Via Lattea, ha circa una dozzina di satelliti, ma nelle simulazioni vediamo migliaia di satelliti di materia oscura", ha detto. "La materia oscura nella Via Lattea è un ambiente dinamico e vivace in cui migliaia di satelliti più piccoli di ammassi di materia oscura sciamano intorno a un alone di materia oscura genitore grande, interagendo costantemente e disturbandosi a vicenda."
Inoltre, gli astrofisici che modellano il movimento della materia oscura sono rimasti perplessi nel vedere che ogni gruppo aveva una densità che raggiungeva il centro e cadeva verso i bordi nello stesso identico modo, indipendentemente dalle sue dimensioni. Questo profilo di densità universale, tuttavia, sembra essere in conflitto con le osservazioni di alcune galassie nane fatte dal collega di Ma, professore di astronomia dell'UC Berkeley Leo Blitz e dal suo gruppo di ricerca, tra gli altri.
Ma spera che un nuovo modo di guardare il moto della materia oscura risolva questi problemi e la teoria quadrata con l'osservazione. Nel suo articolo di Physical Review, discusso in una riunione all'inizio dell'anno dell'American Physical Society, ha dimostrato che il movimento della materia oscura può essere modellato in modo molto simile al movimento browniano descritto dal botanico Robert Brown nel 1828 e Albert Einstein spiegato in un seminale del 1905 documento che lo aiutò a ottenere il premio Nobel per la fisica del 1921.
Il movimento browniano è stato descritto per la prima volta come il percorso a zigzag percorso da un granello di polline che galleggia nell'acqua, spinto da molecole d'acqua che si scontrano con esso. Il fenomeno si riferisce ugualmente al movimento della polvere nell'aria e ai densi ammassi di materia oscura nell'universo della materia oscura, ha detto Ma.
Questa intuizione "usiamo un linguaggio diverso, un punto di vista diverso rispetto alla visione standard", per investigare il movimento e l'evoluzione della materia oscura, ha detto.
Altri astronomi, come il professore emerito di astronomia UC Berkeley Ivan King, hanno usato la teoria del moto browniano per modellare il movimento di centinaia di migliaia di stelle all'interno di ammassi stellari, ma questa, ha detto Ma, è “la prima volta che è stata applicata rigorosamente a grandi scale cosmologiche. L'idea è che non ci interessa esattamente dove sono i grumi, ma piuttosto come si comportano statisticamente nel sistema, come si disperdono gravitazionalmente ".
Ma ha osservato che il moto browniano dei grumi è governato da un'equazione, l'equazione di Fokker-Planck, che viene utilizzata per modellare molti processi stocastici o casuali, incluso il mercato azionario. Ma e collaboratori stanno attualmente lavorando per risolvere questa equazione per la materia oscura cosmologica.
"È sorprendente e delizioso che l'evoluzione della materia oscura, l'evoluzione dei ciuffi, obbedisca a una semplice equazione di 90 anni", ha detto.
Il lavoro è stato supportato dalla National Aeronautics and Space Administration.
Fonte originale: UC Berkeley
