Cercando la materia oscura tra una galassia e l’altra

Sebbene invisibile, la materia oscura (DM) rappresenta circa il 27% della massa nell’Universo. Di cosa sia fatta, è uno dei gradi misteri della cosmologia contemporanea, poiché nessuna particella è mai stata rivelata nei laboratori, e tutto quello che sappiamo è l’interazione gravitazionale con la materia ordinaria desunta da osservazioni astronomiche. L’attenzione è quindi rivolta all’Universo, in modo particolare verso le grandi strutture come gli ammassi di galassie, dove gli effetti gravitazionali della DM sono più evidenti.

Gli ammassi di galassie sono ricchissimi di materia oscura e possono essere indagati a varie lunghezze d’onda, combinando dati ricavati da complesse simulazioni al computer, ormai una regola in molti ambiti dell’astrofisica, poiché la modellazione concede l’interpretazione dei dati osservativi scegliendo tra le simulazioni che meglio riproducono un dato fenomeno o viceversa. Anche gli studi sulla materia oscura non fanno eccezione ed è grazie a tale metodo che sono state comprese alcune cose.

LA LUCE DENTRO L’AMMASSO

Negli ammassi di galassie c’è un’emissione luminosa debolissima che li pervade, detta “luce dentro l’ammasso” (Icl). Sembra che l’Icl sia prodotta da un enorme numero di “stelle canaglia”, astri isolati, che sono stati espulsi dalle galassie. Tutte queste stelle contribuiscono alla massa complessiva e costituiscono una sorta di nebbia luminosa, la cui indagine è una delle ricerche svolte nel programma Dark Energy Survey, ospitato dal Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Usa.

Nel 2019 era stata già pubblicata una prima serie di tali misure e una seconda è stata rilasciata di recente,  con l’annuncio della scoperta che l’Icl potrebbe fornire un nuovo metodo per indagare la DM.

“L’Icl è un buon tracciante radiale della materia oscura: dove l’Icl è relativamente intensa, la materia oscura è altrettanto densa. Questa scoperta è stata fortuita e non è quello che ci aspettavamo” ha dichiarato Yuanyuan Zhang, che ha condotto gli studi pubblicati nel 2019 e 2020.

Di norma, le misure di Icl si conducono nelle regioni centrali dell’ammasso di galassie, dove è più agevole rivelarla, ma il gruppo di Zhang l’ha ricercata anche nelle zone periferiche, dove la manifestazione è molto più difficile. Così, è stata ottenuta la misura di Icl più radialmente estesa mai eseguita.

Per la mappatura sono state utilizzate le “lenti gravitazionali deboli”, per confrontare la distribuzione radiale dell’Icl, dal centro alla periferia, con la distribuzione radiale della massa. Il lensing debole è un metodo utile e sensibile alla DM e ha luogo quando una massa in primo piano piega la luce che giunge da una sorgente più lontana, deformandone l’aspetto. Sorprendentemente, la distribuzione era sovrapponibile con l’Icl sintomatico della massa visibile e presumibilmente anche della DM.

L’Icl misurata dal team è da cento a mille volte più debole di quanto normalmente svolto nelle ricerche del Des, operando con segnali al limite su immagini molto “rumorose”. Per attenuarne gli effetti, il gruppo è ricorso a metodi statistici su molti ammassi di galassie, attingendo dalla mole dati prodotti nel sondaggio, per un totale di 800 ammassi di galassie, situati fino alla distanza di 3,3 miliardi di anni luce.

In Figura, a sinistra un’immagine simulata in cui la luce intracluster è visibile come una foschia diffusa tra le galassie, che appaiono come picchi di luminosità (Jesse Golden-Marx; simulazione di The IllustrisTNG). Nelle osservazioni, come si vede a destra, questa componente di luce intracluster è in gran parte sommersa dal rumore (Dark Energy Survey e Yuanyuan Zhang).

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