MilkyWay_DarkmatterHalo

Le contraddizioni del modello CDM

Una collaborazione tra ricercatori di diverse università americane ha pubblicato un articolo su Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) nel quale si spiegano le principali contraddizioni che presenta l’attuale modello cosmologico standard ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter) e propone alcuni approcci per riconciliare le osservazioni con le previsioni del modello.

Nell’ultimo decennio, il modello cosmologico ΛCDM ha permesso di spiegare la struttura cosmica su larga scala. La teoria afferma che l’80 percento della materia presente nell’Universo consiste di materia scura fredda (Cold Dark Matter, CDM), con una percentuale più piccola rappresentata dalla materia barionica che costituisce la materia ordinaria, ossia la materia visibile e tutte le strutture cosmiche che possiamo ammirare sotto forma di pianeti, stelle, galassie e ammassi. Il modello CDM dimostra in maniera avvincente come lo stato fisico omogeneo dell’Universo primordiale sia evoluto facendo addensare la materia in quelle che sono oggi le galassie e gli ammassi di galassie. A differenza del più vecchio modello della materia scura calda (HDM, Hot Dark Matter), la teoria CDM afferma che le strutture cosmiche si sono evolute nel corso del tempo cosmico in maniera gerarchica, partendo da strutture autogravitanti distribuite su scale più piccole fino alla formazione di strutture più grandi.

Ora, a dispetto del suo successo su tempi scala lunghi, le previsioni del modello cosmologico CDM divergono dai dati osservativi in vari modi:

  • Le maggiori discrepanze tra le previsioni del modello CDM e i dati emergono per le galassie più piccole (es. galassie satelliti) e che la maggior parte delle curve di rotazione galattiche hanno un profilo di materia scura “cored” anzichè “cuspy” come dovrebbe essere secondo le previsioni.
  • Le simulazioni CDM predicono un elevato numero di galassie satelliti attorno alle maggiori galassie come la Via Lattea. Prima del 2000, erano note solo 9 galassie satelliti a 250 Kpc dall’alone galattico della nostra galassia quando invece sono previste almeno da un fattore 5 a 20 in più. Dove sono andate a finire queste galassie satelliti?

Secondo gli autori, una eventuale soluzione a queste e ad altre problematiche potrebbe derivare dall’assumere un modello di “materia scura tiepida” (WDM, Warm Dark Matter) che nelle simulazioni porterebbe ad un profilo “cuspy“, anche se la concentrazione delle regioni centrali è di fatto più bassa rispetto a quella dei modelli CDM e quindi più vicina alle osservazioni come derivato dalle curve di rotazione galattiche. Tuttavia, gli autori concludono che a dispetto di qualche incertezza nelle simulazioni numeriche e nei dati osservativi, sembra che il modello WDM non permetta di risolvere il problema dei profili di materia scura “cusp-core” e quello relativo alle galassie satelliti mancanti. Insomma, le speranze rimangono appese ad un continuo affinamento del modello CDM che grazie agli sviluppi futuri della ricerca in diversi settori (es. simulazioni numeriche, misure della velocità delle stelle nelle galassie satelliti, esperimenti sotterranei che danno la caccia alle particelle di materia oscura) potrà diventare sempre più consistente con le osservazioni.

PNAS: Cold dark matter: Controversies on small scales

This paper results from the Arthur M. Sackler Colloquium of the National Academy of Sciences, “Dark Matter Universe: On the Threshold of Discovery Sackler Colloquium,” held October 18–20, 2012, at the Arnold and Mabel Beckman Center of the National Academies of Sciences and Engineering in Irvine, CA. The complete program and audio files of most presentations are available on the NAS website at www.nasonline.org/programs/sackler-colloquia/completed_colloquia/dark-matter.html.