CON UN COMMENTO DI ROBERTO SCARAMELLA DELL’INAF

Materia oscura calda, fredda o tiepidina?

I fisici dell’Università della California a Davis stanno cercando di misurare la temperatura della materia oscura servendosi del fenomeno delle lenti gravitazionali. Analizzando sette quasar “lensati” hanno misurato la dimensione delle lenti gravitazionali, ponendo un limite inferiore alla massa di una potenziale particella di materia oscura.

     23/01/2020
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Questa immagine del telescopio spaziale Hubble mostra l’effetto di una lente gravitazionale su galassie distanti. Gli astronomi della UC Davis stanno usando questo fenomeno per saperne di più sulle proprietà della materia oscura. Crediti: Nasa/Esa/Hst

Calda, fredda o tiepidina? I fisici dell’Università della California a Davis (Ucd) stanno cercando di misurare la temperatura della materia oscura, la sostanza misteriosa che costituisce circa un quarto del nostro universo.

Non sappiamo cosa sia e i fisici non sono ancora riusciti a rilevare una particella di materia oscura. Ma sappiamo che la gravità da essa esercitata è in grado di deformare il percorso della luce proveniente da oggetti distanti. Chris Fassnacht, professore di fisica a Ucd, sta usando questa distorsione, conosciuta come lente gravitazionale, per saperne di più sulle proprietà della materia oscura.

Il modello standard per la materia oscura prevede che sia fredda (cold dark matter), il che significa che le particelle si muovono lentamente rispetto alla velocità della luce. Questa proprietà è legata alla massa delle particelle di materia oscura: più bassa è la massa, più è calde e veloci si sposteranno.

Il modello della materia oscura fredda (più massiccia) sembra essere consistente con le osservazioni su scale molto grandi, riferisce Fassnacht, ma non funziona altrettanto bene sulla scala delle singole galassie. È per questo che sono entrati in gioco altri modelli, tra cui quello della materia oscura calda, con particelle più leggere e in rapido movimento. Tuttavia, la materia oscura calda – con particelle che si avvicinano alla velocità della luce – non sembra essere compatibile con le osservazioni.

Jen-Wei Hsueh, Fassnacht e colleghi hanno usato il fenomeno delle lenti gravitazionali per porre un limite alla temperatura, e quindi alla massa, della materia oscura. Hanno misurato la luminosità di sette quasar distanti e “lensati” (osservati, cioè, attraverso una lente gravitazionale) per cercare i cambiamenti causati dalle regioni di materia oscura che potrebbero essere intervenute a distorcere il percorso. E hanno usato questi risultati per misurare la dimensione delle lenti di materia oscura. Se le particelle di materia oscura sono più leggere, più calde e si muovono più rapidamente, allora non formeranno strutture al di sotto di una certa dimensione, sostiene Fassnacht.

Per questo motivo, i risultati del loro studio pongono un limite inferiore alla massa di una potenziale particella di materia oscura, senza escludere la materia oscura fredda. I risultati del team suggeriscono che tale limite sia di 5.58 keV: un notevole miglioramento rispetto a un’analisi precedente, del 2002, e sono paragonabili ai risultati recenti di un team dell’Ucla, l’Università della California a Los Angeles.

Fassnacht spera di continuare ad aggiungere oggetti lensati alla survey per migliorare l’accuratezza statistica, e conclude affermando che dovrebbero osservare circa cinquanta oggetti del genere per avere un buon vincolo su quanto possa essere calda la materia oscura.

Impressione artistica del satellite Euclid dell’Esa, il cui lancio è previsto nel 2022. Crediti: Esa

Sicuramente la missione Euclid dell’Esa, il cui scopo è proprio quello di migliorare le nostre conoscenze sulla materia e sull’energia oscura, permetterà di dare un importante contributo a questa ricerca. A tal proposito, Media Inaf ha chiesto a Roberto Scaramella dell’Inaf di Roma, Euclid survey scientist e capo dello Euclid Consortium Survey Group, un commento riguardo allo studio pubblicato da Ucd, anche in relazione alla missione Euclid.

«Questo interessante metodo», spiega Scaramella, «usa variazioni dei rapporti di flusso nelle immagini lensate rispetto a modelli di distribuzione di materia oscura diffusa: si studiano gli effetti dovuti a una possibile granularità di quest’ultima, che potrebbe in parte essere condensata in aloni più piccoli di quelli tipici di una galassia. Il numero e la massa di questi aloni dipende dal tipo di materia oscura e dalla sua dispersione di velocità, che aumenta passando da materia oscura “fredda” a “tiepida” fino alla “calda”: se questa è notevole, allora aloni piccoli non si possono formare. Il risultato dell’articolo indica come preferiti i modelli compatibili con la “fredda”».

Illustrazione di una lente gravitazionale. La luce proveniente da una sorgente distante, come un quasar, che passa attorno a un oggetto massiccio, viene deviata dal suo campo gravitazionale. Le frecce arancioni mostrano la posizione apparente della sorgente sullo sfondo. Le frecce bianche mostrano il percorso della luce dalla sua vera posizione della sorgente. Crediti: Wikimedia Commons

«Con Euclid avremo un numero enorme di lenti gravitazionali forti», continua Scaramella,«anche dovute alle singole galassie. Infatti, la possibilità di osservare gran parte del cielo ci permetterà di aumentare grandemente il numero di eventi rari osservati come, ad esempio, questi quasar con quadrupla immagine studiati con lo stesso metodo da altri autori. Euclid quindi darà la possibilità di aumentare il campione statistico in modo estremamente significativo rispetto alla decina di casi usati finora».

«Esistono metodi complementari per affrontare la stessa tematica», ricorda Scaramella, «che usano il clustering spaziale delle Lyman-alpha clouds, nei quali è molto coinvolto un ricercatore italiano, Matteo Viel (prima dell’Inaf, ora della Sissa). Anche questi risultati sembrano diminuire la necessità di una warm dark matter, riportando in auge la cold dark matter. Questa, inoltre, prima aveva il problema di prevedere l’esistenza di molti satelliti e molte galassie piccole che però non venivano di fatto osservate. Invece, nelle ultime survey profonde (ad es. la Dark Energy Survey), si cominciano a trovare un gran numero di questi oggetti poco brillanti. Anche in questo caso la survey di Euclid darà un contributo importantissimo riguardo il numero e le caratteristiche di galassie satelliti, di galassie nane o di bassa brillanza superficiale».

«La potenza della missione sarà non solo sui metodi che verranno raffinati (un ricercatore dell’Inaf di Bologna, Massimo Meneghetti, è co-responsabile del working group scientifico sul lensing forte), ma soprattutto sul numero di lenti su cui fare questo tipo di analisi, potendo per l’appunto osservare la maggior parte del cielo extragalattico».

«Va altresì ricordato», conclude Scaramella, «che solo Euclid osserverà anche l’emisfero nord, mentre quello sud verrà osservato nel corso degli anni anche da Lsst e Ska, che forniranno informazioni complementari in frequenze e variabilità temporale».

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