LO STUDIO È PUBBLICATO SU PHYSICAL REVIEW LETTERS

La materia oscura, dov’era 12 miliardi di anni fa

Una collaborazione guidata da scienziati dell'Università di Nagoya in Giappone ha studiato la distribuzione della materia oscura che circondava 1,5 milioni di galassie, osservate dal telescopio Subaru così com’erano 12 miliardi di anni fa. In particolare, dai dati del satellite Planck hanno misurato il modo in cui la materia oscura attorno a queste galassie ha distorto il fondo cosmico a microonde

     01/08/2022
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La radiazione fossile del Big Bang, distorta dalla materia oscura 12 miliardi di anni fa. Crediti: Reiko Matsushita

Una collaborazione guidata da scienziati dell’Università di Nagoya in Giappone ha studiato la distribuzione della materia oscura che circondava le galassie 12 miliardi di anni fa. I loro risultati, pubblicati su Physical Review Letters, offrono l’attraente prospettiva che le regole fondamentali della cosmologia differiscano da quanto previsto quando si esamina la storia antica dell’universo.

Vedere qualcosa che è successo tanto tempo fa è indubbiamente difficile. A causa della velocità finita della luce, le galassie lontane che osserviamo non le vediamo come sono oggi, bensì com’erano miliardi di anni fa. Ancora più impegnativo è osservare la materia oscura, che non emette luce.

Considerate una galassia lontana, più lontana della galassia di cui siamo interessati a valutare il contenuto di materia oscura. L’attrazione gravitazionale della galassia in primo piano, inclusa la sua materia oscura, distorce lo spaziotempo circostante, come previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein. Mentre la luce della galassia lontana viaggia attraverso questa distorsione, si piega, cambiando la forma apparente della galassia stessa. Maggiore è la quantità di materia oscura, maggiore è la distorsione. Pertanto, gli scienziati possono misurare la quantità di materia oscura attorno alla galassia in primo piano – la galassia “lente” – dalla distorsione.

Tuttavia, oltre una certa distanza si incontra un problema: le galassie negli angoli più profondi dell’universo sono incredibilmente deboli. Di conseguenza, più lontano guardiamo, meno efficace diventa questa tecnica. Nella maggior parte dei casi, la distorsione della lente è difficile da rilevare e sono necessarie molte galassie di fondo per apprezzare il segnale.

Gran parte degli studi è rimasta bloccata da questo limite: incapaci di rilevare galassie “sorgenti” abbastanza lontane per misurare la distorsione, hanno potuto analizzare la materia oscura solo a non più di 8-10 miliardi di anni fa. Questo limite ha lasciato aperta la questione della distribuzione della materia oscura tra questo periodo e 13,7 miliardi di anni fa, vicino all’inizio dell’universo.

Per superare questa sfida e osservare la materia oscura dagli angoli più remoti dell’universo, il team di ricercatori – guidato da Hironao Miyatake dell’Università di Nagoya, in collaborazione con l’Università di Tokyo, l’Osservatorio astronomico nazionale del Giappone e l’Università di Princeton – ha utilizzato una diversa sorgente di luce sullo fondo: il fondo cosmico a microonde (Cmb), la radiazione fossile del Big Bang.

In primo luogo, utilizzando i dati delle osservazioni del Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (Hsc), il team ha identificato 1,5 milioni di galassie “lenti” in luce visibile, osservate così com’erano 12 miliardi di anni fa. Successivamente, per superare la mancanza di una galassia ancora più lontana, hanno utilizzato il fondo cosmico a microonde. Utilizzando i dati del satellite Planck dell’Agenzia spaziale europea, il team ha infatti misurato il modo in cui la materia oscura attorno alle galassie lenti ha distorto la radiazione a microonde.

Dopo un’analisi preliminare, i ricercatori si sono presto resi conto di avere un campione sufficientemente grande per rilevare la distribuzione della materia oscura. Combinando il grande campione di galassie e le distorsioni indotte nel Cmb, hanno inferito la distribuzione di materia oscura 12 miliardi di anni fa, ossia solo 1,7 miliardi di anni dopo l’inizio dell’universo. «Sono felice di aver aperto una nuova finestra su quell’epoca», riferisce Miyatake. «12 miliardi di anni fa, le cose erano molto diverse. Si vedono più galassie in fase di formazione rispetto a quelle attuali; anche i primi ammassi di galassie stanno iniziando a formarsi». Gli ammassi di galassie comprendono tra un centinaio e un migliaio di galassie legate dalla gravità con grandi quantità di materia oscura. «Questo risultato fornisce un quadro molto coerente delle galassie e della loro evoluzione, così come della materia oscura dentro e intorno alle galassie, e di come questo quadro si evolve nel tempo», aggiunge Neta Bahcall della Princeton University.

Una delle scoperte più interessanti dei ricercatori è legata all’ampiezza delle fluttuazioni nella distribuzione della materia oscura, che i cosmologi chiamano “sigma 8”. Secondo la teoria cosmologica standard, il modello Lambda-Cdm, le deboli anisotropie del Cmb riflettono anisotropie nella materia che attirano la materia circostante attraverso la gravità. Questo fa sì che si creino “grumi” disomogenei di materia da cui si formano stelle e galassie. I risultati del gruppo, sebbene pressoché coerenti con la cosmologia di Planck, suggeriscono che la misura della loro aggregazione sia inferiore a quanto previsto dal modello Lambda-Cdm.

«La nostra scoperta è ancora incerta», riferisce Miyatake. «Ma se fosse vero, suggerirebbe che l’intero modello presenta un difetto andando indietro nel tempo. Questo è eccitante perché se il risultato persistesse dopo che le incertezze saranno state ridotte, potrebbe suggerire un miglioramento del modello che potrebbe fornire informazioni sulla natura della materia oscura stessa».

«A questo punto, cercheremo di ottenere dati migliori per vedere se il modello Lambda-Cdm è effettivamente in grado di spiegare le osservazioni che abbiamo nell’universo», ha affermato Andrés Plazas Malagón, ricercatore della Princeton University. «E la conseguenza potrebbe essere che dovremo rivedere i presupposti di questo modello».

«Uno dei punti di forza dell’osservazione dell’universo utilizzando indagini su larga scala, come quelle utilizzate in questa ricerca, è che puoi studiare tutto ciò che vedi nelle immagini risultanti, dagli asteroidi vicini nel nostro Sistema solare alle galassie più lontane dell’universo primordiale. Puoi utilizzare gli stessi dati per esplorare molte nuove domande», ha affermato Michael Strauss dell’Università di Princeton.

Questo studio ha utilizzato i dati disponibili dai telescopi esistenti, inclusi Planck e Subaru. Il gruppo ha esaminato solo un terzo dei dati della Subaru Hyper Suprime-Cam Survey. Il prossimo passo sarà analizzare l’intero set di dati, che dovrebbe consentire una misurazione più precisa della distribuzione della materia oscura. In futuro, il team prevede di utilizzare un set di dati avanzato come il Legacy Survey of Space and Time (Lsst) dell’Osservatorio Vera C. Rubin. «Lsst ci permetterà di osservare metà del cielo», conclude Harikane. «Non vedo alcun motivo per cui non potremmo vedere la distribuzione della materia oscura 13 miliardi di anni fa».

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