Quasi un secolo fa l’astronomo americano Edwin Hubble scoprì che le galassie lontane si allontanano da noi a velocità che aumentano in proporzione alla loro distanza. Questa relazione, oggi nota come legge di Hubble, indica che lo spazio stesso si sta espandendo. Proiettando questa espansione all’indietro nel tempo, si può giungere alla conclusione che tutta la materia dell’universo doveva, all’inizio, essere concentrata in uno stato estremamente denso e caldo. Secondo la teoria più accreditata, un evento noto come Big Bang ha dato inizio all’espansione con una gigantesca “esplosione” – ma attenzione, non nel senso convenzionale del termine – avvenuta circa 14 miliardi di anni fa.
Hubble sapeva, tuttavia, che questa descrizione non vale in modo universale. La galassia di Andromeda, la più vicina alla Via Lattea, situata a circa 2,5 milioni di anni luce, non si sta allontanando, bensì si avvicina a una velocità di circa 100 chilometri al secondo. In un’ora si muove verso di noi di 360mila chilometri. Il fatto che si stia avvicinando indica che, su scale relativamente piccole, la gravità può contrastare e persino invertire l’espansione cosmica.
Questa illustrazione mostra lo scenario di collisione della Via Lattea e della galassia di Andromeda. Le due galassie si stanno muovendo l’una verso l’altra sotto l’inesorabile attrazione gravitazionale che le lega. È mostrata anche una galassia più piccola, il Triangolo, che potrebbe essere coinvolta nello scontro. Crediti: Nasa; Esa; A. Feild e R. van der Marel, STScI
Nel 1959, gli astronomi Franz Kahn e Lodewijk Woltjer analizzarono il moto relativo tra la Via Lattea e Andromeda e mostrarono che, affinché la loro attrazione gravitazionale superasse l’espansione dell’universo, la massa totale del sistema doveva essere superiore a mille miliardi di volte quella del Sole. Questa quantità è di gran lunga superiore alla massa complessiva di tutte le stelle visibili nelle due galassie, fornendo una delle prime evidenze dell’esistenza di una grande quantità di materia oscura invisibile che le circonda.
Negli anni Settanta e Ottanta divenne possibile misurare con maggiore precisione le distanze di galassie un po’ più lontane. Si scoprì allora che la maggior parte di esse si allontana dalla Via Lattea a velocità molto prossime a quelle previste dall’espansione cosmologica. Studi condotti su galassie situate a distanze comprese tra una volta e mezzo e quattro volte la separazione tra la Via Lattea e Andromeda mostrarono che le deviazioni rispetto al flusso di Hubble erano sorprendentemente piccole.
Questo risultato sollevò un problema. La quantità totale di materia necessaria a spiegare tali piccole deviazioni, fino alle galassie più lontane osservate, non risulta maggiore di quella già richiesta per spiegare l’avvicinamento tra la Via Lattea e Andromeda. Tuttavia, in quella stessa regione di spazio sono presenti numerose altre grandi galassie, che dovrebbero contribuire con ulteriore massa e perturbare in modo più marcato l’espansione cosmica locale. Perché, allora, l’espansione nelle nostre vicinanze appare così debolmente disturbata?
Una possibile risposta è emersa di recente grazie a simulazioni numeriche ad alta precisione. Un gruppo internazionale di astronomi ha utilizzato una nuova tecnica per ricostruire l’evoluzione di regioni dell’universo primordiale caratterizzate da piccole deviazioni dall’uniformità, statisticamente simili a quelle osservate nella radiazione cosmica di fondo. Assegnarono al calcolatore il seguente compito: individuare regioni che, nel corso del tempo, dessero origine a galassie simili alla Via Lattea e ad Andromeda, con le posizioni e le velocità osservate oggi, e che, al contempo, riproducessero i moti delle altre galassie vicine.
La distribuzione media della materia oscura ottenuta da un gran numero di simulazioni al computer, ciascuna delle quali è stata vincolata a formare una Via Lattea e una Nebulosa di Andromeda (le due macchie luminose al centro) con le posizioni e le velocità osservate, nonché a riprodurre le velocità osservate in corrispondenza di 31 galassie vicine (punti azzurri). La dimensione del riquadro è pari a 20 volte la separazione tra la Via Lattea e Andromeda, con una risoluzione pari a metà di tale separazione. Il colore rappresenta la quantità di materia oscura in ogni punto, mentre le frecce indicano la sua velocità rispetto a un universo in espansione uniforme. L’immagine a sinistra mostra una vista dall’alto del Foglio di Massa Locale, mentre quella a destra ne offre una visione laterale. Si noti che, in entrambe le immagini, le velocità rispetto a un flusso di Hubble uniforme sono piccole nella regione occupata dai punti azzurri, il che implica che queste galassie appaiono seguire quasi perfettamente la legge di Hubble negli universi simulati. Crediti: Mpa
A quanto pare, per la “macchina” il compito si è rivelato semplice: il calcolatore ha individuato centinaia di configurazioni compatibili con tutte le condizioni osservate. Analizzando la distribuzione media della massa in questi casi, è emerso che, nella regione contenente le galassie locali, i moti rispetto a un’espansione uniforme sono effettivamente piccoli: il flusso di Hubble risulta quasi indisturbato. A distanze maggiori, invece, la materia si allontana dalla Via Lattea persino più rapidamente di quanto previsto dall’espansione cosmica media.
La chiave della soluzione sta nella geometria della distribuzione di massa. Le simulazioni mostrano che la materia non è disposta in modo sferico attorno al Gruppo Locale, bensì è concentrata in una vasta struttura appiattita, simile a un “foglio”, che si estende ben oltre la regione occupata dalle galassie considerate. Tutte le galassie locali si trovano all’interno di questo foglio, che fa parte di una struttura ancora più ampia nota come Superammasso Locale.
Il computer ha dedotto l’esistenza di questa struttura più ampia anche se non era stato informato della sua esistenza. Al di sopra e al di sotto di questo foglio si estendono grandi regioni a bassissima densità, i cosiddetti vuoti locali. Proprio in queste regioni le simulazioni prevedono moti gravitazionali più intensi, ma tali effetti non sono osservabili perché, nell’universo reale, mancano galassie che possano fungere da traccianti.
Esistono quindi due ragioni per cui il flusso di Hubble locale sembra così debolmente perturbato nonostante la grande massa combinata della Via Lattea e di Andromeda. La massa a distanze maggiori contrasta la gravità delle galassie centrali, trascinando il materiale verso l’esterno. Inoltre, non ci sono galassie nelle regioni in cui gli effetti di caduta previsti sarebbero elevati, per cui il flusso in ingresso verso il Foglio Locale rimane nascosto.
Il mondo che circonda il nostro Gruppo Locale non sembra essere isotropo, ma sorprendentemente piatto, su scale che si estendono per decine di milioni di anni luce.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature l’articolo “The mass distribution in and around the Local Group” di Ewoud Wempe, Simon D. M. White, Amina Helmi, Guilhem Lavaux & Jens Jasche