LO STUDIO PUBBLICATO SU NATURE

Zoom sulla materia oscura

Un team internazionale di ricercatori ha realizzato uno zoom in un alone simulato di materia oscura, con un fattore di ingrandimento assolutamente senza precedenti, equivalente a quello necessario per riconoscere una pulce sulla superficie della Luna. Ciò ha permesso di produrre immagini dettagliate di centinaia di aloni virtuali di materia oscura, dal più grande al più piccolo, che si prevede siano presenti nell'universo

     02/09/2020
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Questa immagine mostra una sezione della simulazione principale che rappresenta una regione di due miliardi di anni luce di lato. I due riquadri sono ingrandimenti ulteriori, il cui lato è di 600 anni luce. I singoli grumi più grandi nell’immagine principale corrispondono agli ammassi di galassie, mentre i grumi più piccoli nel secondo zoom hanno una massa simile a quella terrestre. Crediti: Mpa

La maggior parte della materia presente nell’universo è oscura – nel senso che non emette luce –  quindi non è direttamente osservabile. Un team internazionale di ricercatori ha appena pubblicato su Nature i risultati di un lavoro che, sfruttando i supercomputer presenti in Cina e in Europa, ha permesso di fare uno zoom di una regione caratteristica di un universo simulato, con un fattore di ingrandimento assolutamente senza precedenti, equivalente a quello necessario per riconoscere una pulce sulla superficie della Luna piena. Ciò ha permesso al team di realizzare immagini dettagliate di centinaia di aloni virtuali di materia oscura, dal più grande al più piccolo, che si prevede siano presenti nel nostro universo.

La materia oscura gioca un ruolo importante nell’evoluzione cosmica. Le galassie si sono formate quando il gas, raffreddandosi, si è condensato al centro di enormi ammassi di materia oscura, i cosiddetti aloni di materia oscura. La struttura dei grandi aloni di materia oscura può essere dedotta dalle proprietà delle galassie e del gas al loro interno, ma non si hanno informazioni su aloni che potrebbero essere troppo piccoli per contenere una galassia.

I più grandi aloni di materia oscura nell’universo attuale contengono enormi ammassi di galassie, ossia gruppi di centinaia di galassie luminose. Le loro proprietà sono ben studiate e la loro massa è pari a circa un milione di miliardi di volte quella del Sole. D’altra parte, le masse dei più piccoli aloni di materia oscura sono sconosciute. La teoria della materia oscura – che sta alla base dello zoom effettuato dal supercomputer – suggerisce che potrebbero avere una massa simile a quella terrestre. Questi piccoli aloni sarebbero estremamente numerosi, contenendo una frazione sostanziale di tutta la materia oscura nell’universo, ma sarebbero rimasti oscuri per tutta la storia cosmica perché le stelle e le galassie crescono solo in aloni almeno un milione di volte più massicci del Sole.

Il team di ricerca – che vede coinvolti ricercatori provenienti da Cina, Germania, Regno Unito e Stati Uniti – ha impiegato cinque anni per sviluppare, testare ed eseguire questo zoom cosmico, che ha permesso loro di studiare la struttura degli aloni di materia oscura di tutte le masse comprese tra quella della Terra e quella di un grande ammasso di galassie. Lo zoom copre un intervallo di massa di 1030 (ovvero un 1 seguito da 30 zeri), che è equivalente al numero di chilogrammi nel Sole.

Sorprendentemente, gli astrofisici hanno scoperto che tutti gli aloni hanno strutture interne molto simili: sono molto densi al centro, e diventano sempre più diffusi verso l’esterno, con grumi più piccoli in orbita nelle regioni esterne. Senza una barra che indichi la scala, è quasi impossibile distinguere l’immagine dell’alone di materia oscura di una galassia enorme da quella di un alone con massa inferiore a quella solare. «Siamo rimasti davvero sorpresi dai nostri risultati», afferma Simon White del Max Planck Institute for Astrophysics. «Tutti avevano immaginato che i più piccoli grumi di materia oscura sarebbero sembrati abbastanza diversi da quelli grandi, con cui abbiamo più familiarità. Ma quando siamo stati finalmente in grado di calcolare le loro proprietà, sembravano uguali».

Il risultato ha una potenziale applicazione pratica. Le particelle di materia oscura possono entrare in collisione vicino al centro degli aloni e, secondo alcune teorie, possono annichilarsi, con il conseguente rilascio di radiazione altamente energetica (gamma). La nuova simulazione consente agli scienziati di calcolare la quantità di radiazione prevista per aloni di massa diversa. Gran parte di questa radiazione potrebbe provenire da aloni di materia oscura troppo piccoli per contenere stelle. I futuri osservatori di raggi gamma potrebbero essere in grado di rilevare questa emissione, rendendo i piccoli oggetti “visibili”, individualmente o collettivamente. Ciò confermerebbe la natura ipotizzata della materia oscura, che potrebbe quindi rivelarsi non del tutto oscura!

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