Qualche mese fa, era l’ottobre scorso, avevamo raccontato qui su Media Inaf della scoperta di un oggetto piuttosto curioso – “un elusivo corpo celeste”, così lo avevamo chiamato. Tradito da un’irregolarità (vedi immagine qui sotto) nel nitidissimo arco gravitazionale del sistema Jvas B1938+666, è il più piccolo oggetto mai individuato a distanze cosmologiche grazie al solo effetto della forza di gravità. Un oggetto di appena un milione di masse solari “avvistato” in una lente gravitazionale a 6,5 miliardi di anni luce da noi. Avvistato tra virgolette, perché la sua presenza è stata rivelata, appunto, solo da effetti gravitazionali. Per il resto, buio completo. Di che oggetto può mai trattarsi?
A sinistra, l’arco gravitazionale del sistema Jvas B1938+666. Le due ‘X’ indicano la posizione di due perturbatori di piccola massa. Nei due pannelli a destra, il pertubatore di circa un milione di masse solari oggetto del nuovo studio. Crediti: D. M. Powell et al. Nature Astronomy, 2025
Rispondere è un lavoro da profiler, un po’ come tracciare il profilo psicologico d’un serial killer partendo dai pochi indizi disponibili e confrontandolo con quelli più comuni. E infatti il primo passo compiuto dal team che ha firmato l’articolo pubblicato oggi su Nature Astronomy è stato esattamente tracciare il cosiddetto profilo di densità del misterioso oggetto. Vale a dire, hanno ricostruito com’è distribuita la sua massa nello spazio. Operazione complicatissima: essendo, appunto, un oggetto invisibile, l’unico approccio possibile è stato analizzare come “sporcava” il nitidissimo arco gravitazionale.
Prima di illustrare il risultato a cui sono giunti è però opportuno fare un passo indietro, e ricordare come una lente gravitazionale, fenomeno predetto dalla relatività generale, può essere impiegata dagli astronomi per studiare l’universo. Essenzialmente in due modi. Il primo approccio, quello più facile da intuire, è appunto come una lente: sfruttandone cioè la capacità d’ingrandire l’immagine e amplificare il segnale della sorgente alle sue spalle. Ecco così che, grazie alla lente gravitazionale del sistema Jvas B1938+666, prodotta principalmente da una massiccia galassia ellittica situata, come dicevamo, a circa 6,5 miliardi di anni luce da noi, i radiotelescopi utilizzati dagli autori dello studio – tra cui il Green Bank Telescope e quelli sparsi per il mondo delle reti Vlba ed Evn, fra i quali anche l’antenna di Medicina (BO) – hanno potuto, mettendo insieme le forze, raccogliere il segnale amplificato e l’immagine ingrandita di una sorgente a una distanza quasi doppia, circa 11 miliardi di anni luce.
Ma è il secondo approccio quello adottato in questo studio: analizzare le deformazioni del segnale emesso dalla sorgente più lontana, quella situata alle spalle della materia che agisce da lente gravitazionale, per ricostruire in dettaglio la “lente” stessa. Impresa in questo caso tutt’altro che semplice, poiché le masse che agivano da lenti erano più d’una, e quella su cui si concentrava l’attenzione dei ricercatori – l’oggetto da un milione di masse solari – era molto piccola rispetto all’effetto lensing complessivo, dovuto perlopiù alla galassia ellittica.
«Cercare di separare tutte le diverse componenti di massa di un oggetto così lontano e di massa ridotta con la lente gravitazionale», ricorda la prima autrice dello studio, Simona Vegetti, del Max Planck Institute for Astrophysics (Germania), «è stato estremamente impegnativo e incredibilmente emozionante. Stiamo lavorando con dati di alta qualità e modelli complessi, e proprio quando pensavo che avessimo capito tutto, le sue proprietà ci hanno riservato un’altra sorpresa. È proprio questa combinazione di difficoltà e mistero che rende questo oggetto così affascinante».
Da sinistra: Giulia Despali (Università di Bologna), Cristiana Spingola (Inaf Ira Bologna) e Davide Massari (Inaf Oas Bologna). Crediti: Media Inaf
«Per tentare di capire di che oggetto si trattava, e in particolare per ricostruire il suo profilo di densità», continua Giulia Despali, coautrice dello studio e ricercatrice all’Università di Bologna, «abbiamo anzitutto dovuto analizzare attentamente le piccole perturbazioni da esso introdotte sull’arco principale. Per cercare poi di interpretare queste irregolarità abbiamo messo a punto una ventina di modelli con i quali confrontare i dati. Ma né i modelli di materia oscura fredda né quelli di materia oscura “tiepida”, diciamo, riescono a spiegare un oggetto come quello che abbiamo osservato».
«È che ha un profilo molto strano, perché è particolarmente denso al centro, ma si estende tantissimo», spiega Davide Massari, coautore dello studio e ricercatore all’Istituto nazionale di astrofisica. «Quindi non è distribuito uniformemente: è come se al centro ci fosse un oggetto estremamente compatto, ma poi il profilo continuasse a estendersi a distanze molto maggiori di quelle che tipicamente si osservano in galassie o sistemi stellari di massa paragonabile».
«La parte centrale interna è coerente con un buco nero o un nucleo stellare denso», aggiunge Vegetti, «che sorprendentemente costituisce circa un quarto della massa totale dell’oggetto. Man mano che ci allontaniamo dal centro, tuttavia, la densità dell’oggetto si appiattisce in un ampio componente simile a un disco. Si tratta di una struttura che non abbiamo mai visto prima, quindi potrebbe trattarsi di una nuova classe di oggetti oscuri».
Rappresentazione artistica di un possibile scenario per descrivere l’oggetto perturbatore, con un buco nero di massa pari a circa 300mila volte quella del nostro Sole e attorno un disco oscuro esteso che possono essere caratterizzati solo attraverso il loro effetto combinato di lente gravitazionale sull’universo lontano. Crediti: John McKean/Jive
Un contributo decisivo potrebbe arrivare da nuove osservazioni, questa volta non con i radiotelescopi ma con un telescopio come Jwst, il James Webb Space Telescope. «Se alla fine riuscissimo a osservare una qualche forma d’emissione luminosa nella banda del visibile o dell’infrarosso», dice a questo proposito Cristiana Spingola, coautrice dello studio e ricercatrice all’Istituto nazionale di astrofisica, «potremmo concludere, per esempio, che si tratti di una galassia nana ultracompatta un po’ anomala, con un alone stellare insolitamente esteso. Ma se anche con Jwst dovessimo continuare a non vedere la luce delle stelle o di altra materia visibile, allora vorrebbe dire che ci troviamo davanti a un oggetto le cui proprietà sono difficilmente spiegabili dagli attuali modelli di materia oscura».
Va infine ricordato che questo è il terzo oggetto di questo tipo identificato utilizzando il cosiddetto metodo di imaging gravitazionale, ma è di gran lunga il più piccolo in termini di massa e il primo ad essere caratterizzato con un livello di precisione così elevato. Tutte e tre le rilevazioni presentano proprietà che non si adattano facilmente al quadro standard della materia oscura. Identificare altri esempi sarà fondamentale per determinare se questi sistemi sono rari casi anomali o i primi indizi di una fisica che va oltre l’attuale modello della materia oscura.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Astronomy l’articolo “A possible challenge for Cold and Warm Dark Matter”, di Simona Vegetti, Simon D. M. White, John P. McKean, Devon M. Powell, Cristiana Spingola, Davide Massari, Giulia Despali e Christopher D. Fassnacht
- Laggi la press release in inglese del Jive (Joint Institute for Vlbi Eric)