Gli ammassi di galassie sono le strutture gravitazionalmente legate più grandi dell’universo. Sono costituiti da galassie (centinaia, anche migliaia), plasma caldissimo, gas freddo, filamenti e materia oscura. Possono essere osservati a lunghezze d’onda ottiche, ai raggi X, o guardati attraverso gli effetti del lensing gravitazionale forte e debole. Osservazioni diverse ma complementari, tutte importantissime per stimarne, ad esempio, la massa, che deve tenere conto di tutto ciò che vediamo e anche di ciò che non vediamo. Nelle galassie ci sono infatti stelle vive e brillanti, ma anche resti stellari e buchi neri invisibili ma pesanti. E poi c’è la materia oscura, invisibile a qualunque occhio ma non a quello della gravità. Un compito difficile, quello di pesare gli ammassi di galassie. Un compito che, secondo un nuovo studio in uscita su Physical Review D, finora abbiamo svolto male. Gli ammassi di galassie pesano circa il doppio di quanto abbiamo stimato finora e questo, fra le altre cose, significa che dobbiamo rivedere il modello cosmologico sul quale ci basiamo e il ruolo della materia oscura. Ad affermarlo è Pavel Kroupa, coautore dello studio, professore all’Università di Bonn e nome noto nel mondo dell’astronomia e della cosmologia per i suoi studi sulla Initial mass function (Imf, funzione iniziale di massa), che svolge un ruolo chiave in questa ricerca. L’abbiamo intervistato.
Pavel Kroupa è nato nella Boemia meridionale, a metà strada tra Praga e Vienna, da cui è fuggito insieme al padre nel 1968, la prima notte dell’invasione del Patto di Varsavia. Ha vissuto, ogni volta per cinque anni, in Germania, Sudafrica, Germania e Australia. Ha studiato fisica e matematica all’Università dell’Australia Occidentale a Perth e nel 1988 si è trasferito a Cambridge, nel Regno Unito, dove ha conseguito il dottorato di ricerca nel 1992 al Trinity College come borsista Isaac Newton. Ha ricoperto il mio primo incarico post-dottorato a Heidelberg fino al 2000, quando si è trasferito a Kiel, nel nord della Germania, per il primo incarico di insegnamento. Dopo aver vinto una borsa di studio Heisenberg, ha accettato un’offerta di cattedra all’Università di Bonn, dove si trova dal 2004. Nel 2017 è stato nominato “professorem hospitem” dal rettore dell’Università Carlo IV di Praga, dove ora trascorre gran parte del suo tempo e dove supervisiona anche alcuni dottorandi
Professor Kroupa, come mai i metodi con cui vengono comunemente “pesati” gli ammassi di galassie non funzionano?
«Ci sono vari metodi molto diversi fra loro, e ognuno presenta delle criticità. Un modo per stimare la massa di un ammasso è contare tutte le stelle (tramite la luce che emettono) in tutte le galassie e tra le galassie. Questo metodo non tiene conto di oggetti con luminosità superficiale molto debole distribuiti in tutto l’ammasso e al di fuori delle galassie, né delle numerose galassie nane deboli presenti in ogni ammasso. Inoltre, questo metodo non è in grado di rilevare i resti stellari oscuri. Un contributo che di solito gli astronomi stimano a partire dall’Imf, ma in modo sbagliato. Commettono infatti l’errore di supporre che la funzione di massa iniziale sia invariante, e quindi aggiungono in modo “cieco” una piccola frazione di massa aggiuntiva che ritengono essere presente in questi resti (nane bianche, stelle di neutroni, buchi neri) e nelle deboli stelle a bassa massa».
La funzione iniziale di massa, vale la pena specificarlo, prevede, data una nube di gas molecolare, il numero di stelle di una data massa che si formeranno. Con la funzione iniziale di massa possiamo dire quante stelle, alla fine della loro vita, diventeranno buchi neri, nane bianche o stelle di neutroni o, in generale, resti stellari oscuri. Ma ci torniamo dopo. Quali altri metodi ci sono per stimare la massa di un ammasso?
«Si misura, ad esempio, la luminosità dell’ammasso nei raggi X, dovuta al gas caldo in cui risiedono le galassie. Questo metodo può sbagliare nel calcolare la massa se il gas non è in equilibrio idrostatico, se presenta shock, o se una parte di esso si trova in grumi o filamenti più freddi. Aggiungo una cosa: la maggior parte della massa conosciuta di un ammasso di galassie si trova all’interno di questo gas caldo, che è anche molto ricco di metalli, con una metallicità simile a quella del Sole. Significa che ogni ammasso ha circa 1010-1012 volte la massa del Sole costituita da elementi più pesanti dell’elio. E qualcosa deve aver creato questa enorme quantità di metalli. Un altro modo ancora è usare i moti delle galassie».
In che senso?
«Le velocità delle galassie nell’ammasso ci dicono quanto deve essere pesante l’ammasso se è in equilibrio viriale: la velocità delle galassie nell’ammasso è una misura di quanto è pesante l’ammasso, proprio come la velocità della Terra ci dice quanto è pesante il Sole. Questo è un metodo abbastanza affidabile, ma richiede di ipotizzare la forma delle orbite delle galassie nell’ammasso, quindi comporta un certo grado di incertezza. Infine ci sono i metodi legati al lensing gravitazionale».
Un fenomeno previsto dalla relatività generale.
«Esatto. Il lensing gravitazionale forte si applica nelle regioni più interne, dove le galassie sullo sfondo sono fortemente distorte dalla grande densità di massa nelle regioni centrali dell’ammasso. Questo ci permette di determinare la quantità di massa all’interno della regione centrale. Si tratta di un metodo abbastanza affidabile, poiché le misurazioni sono piuttosto robuste e la teoria della relatività generale di Einstein si applica in questo regime di campo forte (anche se la Mond fosse corretta). Il lensing gravitazionale debole, invece, riguarda distorsioni sistematiche molto piccole delle immagini delle galassie di sfondo situate vicino alla periferia dell’ammasso lungo la linea di vista. Queste distorsioni di forma indicano quanto sia pesante l’ammasso nel suo complesso. Questo metodo richiede però l’ipotesi di una teoria gravitazionale – quella di Einstein o quella basata sulla Mond, che produce masse maggiori».
Il vostro metodo, invece, su cosa si basa?
«Dal 2003 il mio gruppo di ricerca (inizialmente con sede a Kiel, poi principalmente a Bonn dal 2004) ha sviluppato la “teoria Igimf”, che sta per Integrated Galaxy-wide Initial Mass Function. Questa teoria ci permette di calcolare in modo molto dettagliato come qualsiasi galassia – e, per estensione, anche un ammasso di galassie – formi tutte le sue stelle e i suoi resti stellari nel corso del tempo».
Con la funzione di massa iniziale, giusto?
«Esatto. Siamo in grado di farlo perché ormai conosciamo abbastanza bene come la funzione di massa iniziale stellare (Imf) all’interno di una nube molecolare vari con la densità e la metallicità: la metallicità determina la velocità con cui il gas può raffreddarsi e quindi frammentarsi in stelle di bassa massa. La densità indica quante stelle massicce possono condensarsi nell’ammasso molecolare».
Per questo prima diceva che gli astronomi commettono un errore quando considerano la funzione iniziale di massa invariante.
«Proprio così. La forma dell’Imf stellare e la sua variazione in base alle condizioni fisiche degli ammassi di gas che formano le stelle è stata verificata con molti dati indipendenti provenienti da sistemi stellari vicini. Dobbiamo quindi semplicemente sommare tutti questi ammassi molecolari che formano le stelle per calcolare il numero (e la massa) delle stelle in formazione in un’intera galassia. Questa è l’Imf a livello galattico. Essa varia in modo ben definito con la metallicità e con il tasso di formazione stellare della galassia. Anche in questo caso, tale variazione è stata accuratamente testata e confermata tramite osservazioni dettagliate delle popolazioni stellari in molte galassie vicine».
L’ammasso galattico Abell 209, a una distanza di 2,8 miliardi di anni luce. Crediti: Esa/Hubble & NASA, M. Postman, P. Kelly
E questo ragionamento si può estendere anche alle galassie lontane?
«Ovviamente, secondo il principio cosmologico la stessa fisica si applica qui e dall’altra parte dell’universo. Così abbiamo scoperto, ad esempio, che per spiegare l’elevata metallicità (cioè la quantità di elementi più pesanti di idrogeno ed elio, ndr) degli ammassi di galassie e delle loro galassie centrali massicce, la funzione di massa iniziale delle stelle era “sbilanciata verso l’alto”, cioè doveva aver prodotto un numero enorme di stelle massicce. Ciò deriva dagli altissimi tassi di formazione stellare (1000-10mila masse solari all’anno; per confronto, la nostra galassia forma circa 2 masse solari all’anno), ma anche dalla necessità di avere stelle abbastanza massicce da produrre elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio. Queste stelle massicce sono morte da tempo, ma hanno lasciato i loro resti. E la somma di tutti questi resti contribuisce in modo significativo alla massa delle galassie».
Quindi, la maggior parte della massa di una galassia centrale massiccia sarà sotto forma di resti oscuri, e questo pesa poi nel computo della massa dell’intero ammasso di galassie.
«Una cosa importante: misurare un’elevata metallicità in un ammasso implica necessariamente che questo abbia una grande quantità di stelle morte. Non c’è altro modo per produrre tutti gli elementi osservati in queste strutture. Stranamente, sembra che gli astronomi non ne fossero consapevoli finora».
Nella pratica, quindi, come avete misurato la massa?
«Innanzitutto, il nostro dottorando Dong Zhang ha individuato tutti gli ammassi di galassie conosciuti per i quali sono stati pubblicati cataloghi affidabili delle galassie e delle loro proprietà. È stato un lavoro enorme raccogliere tutti questi dati per molte decine di ammassi e per tutte le galassie all’interno di ciascuno di essi. Poi, la professoressa Akram Hasani Zonoozi ha utilizzato il suo codice basato sulla Integrated Galaxy-wide Initial Mass Function per calcolare la storia evolutiva di ciascuna galassia, in modo da sapere quali tipi di stelle e quante stelle morte ha ciascuna galassia in tutti gli ammassi. Anche questo è stato un lavoro di calcolo enorme».
In questo modo vi siete fatti un’idea di tutta la massa in stelle, vive e morte, visibili e non visibili, di ciascuna galassia. Corretto?
«Esatto. A queste sono state aggiunte le stelle che altri astronomi stimano si trovino tra le galassie. Ed è stata aggiunta anche la massa del gas. Tutto sommato, Dong Zhang ha compiuto uno sforzo senza precedenti nella letteratura per ottenere stime di massa molto più precise per tutti gli ammassi di galassie. Abbiamo lavorato in modo conservativo e con molta attenzione. Le stime ottenute sono ancora incomplete perché non abbiamo potuto includere le galassie deboli non visibili».
Qual è stato il risultato?
«I risultati sono sorprendenti: le nuove masse degli ammassi di galassie ora concordano sostanzialmente con le stime del lensing gravitazionale debole basato sulla Mond e con le masse dinamiche ottenute dalle velocità delle galassie. Questo è sorprendente, perché i calcoli e la teoria Igimf sono completamente indipendenti dalla Mond».
Quali sono invece le criticità del vostro metodo?
«Dobbiamo migliorare le nostre conoscenze su come varia la funzione iniziale di massa stellare. Sebbene abbiamo già una buona comprensione, ci sono ancora alcune questioni aperte su come questa funzione dipenda dalla metallicità per le stelle di piccola massa e su come cambi in condizioni più estreme e di metallicità più bassa nell’universo primordiale».
Questo potrebbe influenzare i vostri risultati?
«No, i nostri risultati sono solidi, perché la maggior parte delle stelle è nata dopo la scomparsa di queste condizioni. Abbiamo lavorato in modo molto conservativo, ad esempio ipotizzando metallicità simili alle galassie osservate oggi. Ma in realtà le galassie giovani erano povere di metalli, e le stelle massicce povere di metalli lasciano resti più massicci. Pertanto, pensiamo che gli ammassi potrebbero essere ancora più massicci di quanto abbiamo calcolato. La maggiore incertezza deriva dalle galassie deboli che non sono presenti nei cataloghi. Questo è il motivo per cui le nostre masse sono dei limiti inferiori. Ogni ammasso galattico sarà facilmente più pesante del 10-20 per cento rispetto a quanto calcolato».
Se la stima della massa degli ammassi galattici è sempre stata effettuata in modo errato, quanto delle nostre conoscenze sull’universo dovremmo rivedere?
«Questa è la domanda fondamentale. In sostanza, gli ammassi di galassie non funzionano più nei modelli cosmologici basati sulla materia oscura, perché ora contengono improvvisamente molta meno materia oscura. Tutti i lavori svolti finora sono stati adattati per ottenere una concordanza con i modelli cosmologici basati sulla materia oscura, ipotizzando che l’Imf stellare non vari. Questo è profondamente sbagliato. Ma ci sono altri argomenti molto più forti che spiegano perché i modelli basati sulla materia oscura non funzionano».
Può fare qualche esempio?
«Ad esempio, è stato recentemente dimostrato che l’orbita della Piccola nube di Magellano attorno alla Grande nube di Magellano non consente l’esistenza di materia oscura (con un livello di confidenza molto superiore a 5 sigma), altrimenti le due si sarebbero fuse molti miliardi di anni fa. Anche in questo caso, l’orbita funziona perfettamente nel contesto della Mond. Anche alcune proprietà gravitazionali degli ammassi stellari aperti confutano la gravitazione newtoniana e sono invece perfettamente coerenti con la Mond. Infine, proseguendo nel ragionamento di prima, si osserva che le galassie ellittiche massicce contenevano un’enorme quantità di stelle massicce quando erano molto giovani. Nell’universo ci sono molte galassie ellittiche massicce. I calcoli mostrano che la loro luminosità combinata è quella del fondo cosmico a microonde (Cmb): poiché le stelle massicce sintetizzavano tutti gli elementi pesanti nelle galassie, rilasciavano così tanti fotoni che non c’è spazio nel Cmb osservato per un Cmb prodotto dal Big Bang caldo».
Tutto da rivedere, insomma, il modello cosmologico.
«Alla luce di ciò, tutta la nostra comprensione della cosmologia è compromessa e deve essere completamente riscritta. L’universo reale ha bisogno di una teoria basata sulla Mond, in cui le galassie si formano molto più rapidamente e in cui l’intera formazione della struttura evolve in modo diverso rispetto ai modelli basati sulla materia oscura».
Per saperne di più:
- Leggi in Physical Review D l’articolo “Revisiting the missing mass problem in MOND for nearby galaxy clusters“, di Dong Zhang, Akram Hasani Zonoozi e Pavel Kroupa
Guarda su MediaInaf Tv quest’intervista a Pavel Kroupa del 2022 (con subs in italiano):