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La materia scura ‘mancante’ si trova nello spazio intergalattico

Da uno studio recente è emerso che le galassie non sono caratterizzate da bordi ben definiti e che gli aloni di materia scura che le circondano si estendono fino a raggiungere le galassie vicine riempiendo così lo spazio intergalattico.

Abbiamo detto più volte che l’Universo è caratterizzato da una forma di materia ancora sconosciuta che costituisce il 23% circa del contenuto materia-energia, un enigma astrofisico alquanto imbarazzante per gli astronomi (per un maggiore approfondimento Enigmi Astrofisici). Oggi, una delle domande a cui gli scienziati stanno cercando di dare una risposta è: dove si trova maggiormente distribuita la materia scura nello spazio? Alcuni ricercatori dell’Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (IPMU) dell’Università di Tokio e dell’Università di Nagoya hanno condotto una serie di simulazioni mettendo insieme le osservazioni di un insieme di dati relativi al fenomeno della lente gravitazionale per studiare la distribuzione della materia scura attorno alle galassie. Dallo studio emerge che le galassie non sono caratterizzate da ‘bordi’ ben definiti e che gli aloni di materia scura che le circondano si estendono fino a raggiungere le galassie vicine riempiendo così lo spazio intergalattico.

ArXiv: Matter Distribution around Galaxies

Vedasi anche: SDSS uses 200,000 quasars to confirm Einstein’s prediction of cosmic magnification

La distribuzione della materia scura su scale cosmologiche più grandi

L’immagine mostra come la materia scura si distribuisce nello spazio in una sorta di rete cosmica gigantesca (le regioni più dense in bianco) alternata da zone vuote (più scure nell’immagine).
Credit: Van Waerbeke, Heymans e CFHTLens collaboration.

Grazie ad una collaborazione scientifica tra le Università del British Columbia e quella di Edinburgo, un gruppo di astronomi hanno presentato i risultati della loro ricerca al 219° meeting dell’American Astronomical Society mostrando la ‘prima mappa’ della distribuzione di materia scura su scale cosmologiche più grandi rispetto a quelle ottenute in precedenza. I dati confermano che l’Universo è come riempito di una sorta di ‘rete cosmica’ alquanto intricata costituita essenzialmente di materia scura che funge da scheletro sul quale le galassie sono, per così dire, ancorate. Gli scienziati, guidati da Van Waerbeke dell’University of British Columbia, in Canada, e Catherine Heymans dell’University of Edinburgh, in Scozia, hanno analizzato le immagini di circa 10 milioni di galassie esplorando quattro regioni diverse del cielo, studiando gli effetti della distorsione della luce che è soggetta all’effetto della lente gravitazionale quando passa attraverso le enormi distribuzioni di materia scura. La survey, denominata Canada-France-Hawaii Telescope Lensing Survey (CFHTLenS), è in corso da oltre cinque anni e fino ad oggi ha permesso di raccogliere la luce di galassie distanti osservate quando l’Universo aveva una età di circa 6 miliardi di anni.

[Press release: Astronomers reach new frontiers of dark matter]

Gravity Probe-B, test di verifica della relatività

Illustrazione del concetto di spaziotempo che viene distorto dalla massa della Terra e attorcigliato dal suo moto di rotazione.

La teoria della relatività di Einstein rappresenta attualmente la miglior formulazione matematica mediante la quale possiamo descrivere l’Universo su grande scala. Essa è così formidabile perchè ci spiega in maniera brillante osservazioni apparentemente bizzarre, come ad esempio la curvatura dei raggi luminosi, ma anche perchè ci dà un quadro coerente dei fenomeni fisici della natura. Tuttavia, uno dei risultati più importanti della teoria è che essa ci mostra come l’Universo non si comporti in maniera completamente intuitiva, almeno per noi esseri umani: abbiamo sentito parlare di concetti quali la dilatazione del tempo, la contrazione delle lunghezze, la curvatura dello spaziotempo, la correlazione massa-energia. Insomma, pare proprio che il nostro “senso comune” sia decisamente sbagliato.

Dunque, non c’è da meravigliarsi se gli astronomi eseguono continuamente tanti test al fine di verificare le predizioni della relatività e capire se esistono delle piccole variazioni che potrebbero addirittura cambiare la nostra concezione dello spazio e del tempo. Uno di questi concetti molto curiosi e non intuitivi è il fatto che lo spazio non è curvo solo per gli effetti della gravità dovuta ad un corpo di grande massa ma che la sua rotazione determina una ulteriore curvatura dello spazio, nota come frame dragging effect. La previsione di questo secondo effetto è talmente piccola che è molto difficile misurarla. Ma quanto piccola? Secondo la relatività generale, l’effetto della rotazione dello spaziotempo terrestre dovrebbe incidere sulla rotazione dell’asse di un giroscopio in orbita nello spazio di circa 11 milionesimi di grado nel corso di un anno, una quantità veramente piccola. Per verificare tutto ciò, nel 2004 venne lanciato in orbita il satellite Gravity Probe-B i cui risultati dopo sette anni di esperimenti non mostrano alcun disaccordo rispetto alle previsioni della teoria di Einstein.

More info ArXiv: VLBI for Gravity Probe B (7 papers)

Dai ‘miraggi cosmici’ la ‘prova’ dell’espansione accelerata dell’Universo

Un gruppo internazionale di ricercatori guidati da Masamune Oguri dell’Istituto Kavli IPMU e da Naohisa Inada del Nara National College of Technology hanno condotto una campagna di osservazioni studiando un insieme di quasar soggetti all’effetto della lente gravitazionale al fine di misurare la storia dell’espansione cosmica. Grazie all’utilizzo di un approccio completamente diverso rispetto a quanto fatto in precedenza mediante l’osservazione di supernovae distanti di tipo Ia, i dati suggeriscono che lo spazio si sta espandendo effettivamente con un ritmo accelerato, un risultato che supporta fortemente l’ipotesi dell’energia scura.

ArXiv: The Sloan Digital Sky Survey Quasar Lens Search. VI. Constraints on Dark Energy and the Evolution of Massive Galaxies

Osservando l’Universo con la lente gravitazionale

Il professore di fisica Mustapha Ishak-Boushaki, della University of Texas a Dallas, ha ottenuto dalla National Science Foundation (NSF) un fondo di oltre 200 mila dollari per studiare l’Universo con la tecnica della lente gravitazionale. La sua ricerca ha lo scopo di migliorare il metodo per misurare più accuratamente la distribuzione e la densità di materia nell’Universo. Inoltre, questo progetto potrebbe dare un contributo importante allo studio della materia scura, quella misteriosa componente di materia che rappresenta il 23% circa del contenuto materia-energia dell’Universo. Infine, il fenomeno della lente gravitazionale potrà essere utilizzato per verificare alcuni modelli cosmologici che tentano di descrivere l’evoluzione del nostro Universo.

CLASH, un ‘censimento’ cosmico

Un gruppo di astronomi hanno iniziato una campagna di osservazioni di 25 ammassi di galassie per studiare la distribuzione della materia scura, quella componente misteriore che costituisce quasi il 23% del contenuto materia-energia del cosmo. Gli ammassi di galassie rappresentano un importante strumento d’indagine in cosmologia poichè da essi gli scienziati ottengono informazioni dettagliate sulla distorsione delle immagini delle galassie più distanti, quindi sulla natura e le proprietà dello spaziotempo e in definitiva sull’espansione dell’Universo. Questo programma, che sarà realizzato grazie al telescopio spaziale Hubble, si chiama CLASH (Cluster Lensing and Supernova survey with Hubble) e servirà per costruire un database di ammassi di galassie che sono i responsabili, per così dire, del fenomeno della lente gravitazionale e per porre dei limiti più stringenti ad alcuni parametri cosmologici fondamentali.

ArXiv: THE CLUSTER LENSING AND SUPERNOVA SURVEY WITH HUBBLE: AN OVERVIEW

Le prime galassie sarebbero nate ‘in anticipo’

Abell 383, l’ammasso gigante costituito da galassie ellittiche. Esso contiene tanta materia scura da ‘piegare’ la luce proveniente dalle galassie più distanti, un fenomeno noto come lente gravitazionale. L’ammasso agisce da lente gravitazionale ‘piegando’ la luce che proviene dalle galassie distanti. Queste lenti gravitazionali aiutano gli astronomi ad individuare oggetti remoti nell’Universo, estendendo così il potere esplorativo del telescopio spaziale Hubble. Nella fotografia, sono indicate, all’interno dei cerchi, le immagini multiple della galassia identificata.
Credit: NASA, ESA, J. Richard (CRAL) e J.P. Kneib (LAM), Marc Postman (STScI)

Grazie al fenomeno della lente gravitazionale cosmica, alcuni ricercatori hanno identificato una galassia molto distante le cui stelle si sarebbero formate ancora prima di quanto ipotizzato. Questa scoperta mette una nuova luce sui modelli che cercano di spiegare la formazione delle prime galassie e, in generale, l’evoluzione stessa dell’Universo.

Abbiamo scoperto una galassia molto distante le cui stelle sarebbero apparse circa 200 milioni di anni dopo il Big Bang. Questa scoperta ci fornisce nuovi indizi sulla formazione delle prime galassie e ci permette di capire come la cosiddetta ‘nebbia primordiale di idrogeno’ sia in seguito scomparsa” spiega Johan Richard del Centre de Recherche Astrophysique de Lyon. La galassia è stata identificata tramite il fenomeno della lente gravitazionale causata dall’ammasso di galassie Abell 383, senza il quale sarebbe stato molto difficile rivelarla con gli attuali telescopi. Il redshift della galassia è di 6,027 il che vuol dire che stiamo osservando la sua luce quando l’Universo aveva una età di circa 950 milioni di anni. Ma questi numeri non implicano che la galassia sia l’oggetto più distante che siamo riusciti ad individuare dato che altri oggetti sono stati rivelati a distanze ancora maggiori, ossia ad epoche pari a circa 400 milioni di anni dopo il Big Bang. La peculiarità di questa scoperta sta nel fatto che le stelle, identificate nella banda dell’infrarosso grazie al telescopio spaziale Spitzer, sono sorprendentemente vecchie e relativamente deboli, rispetto ad altri casi dove le stelle sono, invece, molto brillanti e giovani. Dunque, questi risultati suggeriscono che la galassia era già formata da stelle vecchie di 750 milioni di anni, spostando così indietro l’epoca della sua formazione a circa 200 milioni di anni dopo il Big Bang. Insomma, sembra molto probabile che le prime galassie siano esistite molto tempo prima rispetto a quanto ipotizzato dai modelli sulla formazione ed evoluzione delle galassie primordiali.

ArXiv: Discovery of a possibly old galaxy at z = 6.027, multiply imaged by the massive cluster Abell 383

I buchi neri ‘rotanti’ e la deformazione dello spaziotempo

Un gruppo internazionale di ricercatori, tra cui Gabriel Molina-Terriza della Macquarie University, a Sydney, hanno trovato che i buchi neri in rotazione possono lasciare una sorta di “impronta” sulla radiazione emessa e che viene poi rivelata a terra dai più moderni radiotelescopi. Ciò potrebbe essere di fondamentale importanza sia per comprendere ancora meglio come evolvono in generale le galassie ma anche come test per verificare la teoria generale della relatività.

La teoria della relatività generale ci dice che gli oggetti dotati di massa elevata, come i buchi neri, deformano lo spaziotempo al punto tale che la radiazione viene “piegata”, un fenomeno che dà luogo alla lente gravitazionale. La teoria prevede che un buco nero in rotazione “trascini” lo spaziotempo attorno ad esso, creando una sorta di vortice nel quale tutti gli oggetti fisici, inclusi i fotoni, sono costretti a seguire la rotazione. Gli astronomi hanno già trovato chiare evidenze che nei nuclei galattici attivi risiedono buchi neri supermassicci. Ma si tratta di una considerazione indiretta. Ad esempio, nel caso della Via Lattea, la rotazione del buco nero viene implicata dalla distribuzione delle velocità delle stelle e le misure sono, per così dire, “contaminate” dal fatto che non sappiamo quanta materia, in particolare quanta materia scura è presente nella nostra galassia. Fabrizio Tamburini dell’Università di Padova e colleghi hanno pubblicato i risultati di un lavoro di ricerca dove essi dimostrano come sia possibile rivelare la rotazione del buco nero andando a misurare le variazioni di luminosità associate ad una stella distante o al disco di accrescimento che circonda appunto il buco nero. Utilizzando alcune simulazioni al computer applicate al caso del buco nero della Via Lattea, i ricercatori hanno trovato che queste variazioni di luminosità potrebbero essere rivelate dagli strumenti a terra. Come? Puntando un insieme di radiotelescopi verso il centro della Galassia e poi sommando i vari contributi, ripetendo le osservazioni. Insomma, si tratta di un lavoro di fondamentale importanza, se pensiamo che gli oggetti più massicci dell’Universo possano ruotare, da cui ci aspettiamo di avere maggiori informazioni sull’evoluzione delle galassie.

[Abstract: Twisting of light around rotating black holes]

Lente gravitazionale, età e dimensioni dell’Universo

L’immagine della lente gravitazionale nel sistema B1608+656.
Courtesy Sherry Suyu Argelander Institut für Astronomie in Bonn, Germany.

Gli astronomi hanno utilizzato da sempre il metodo della lente gravitazionale per determinare la dimensione delle stelle, cercare esopianeti e studiare la distribuzione della materia scura nelle galassie distanti. Da un po’ di anni, la lente gravitazionale viene utilizzata per stimarel’età e la dimensione dell’Universo. I ricercatori affermano che il metodo fornisce delle misure accurate che ci permettono di conoscere quanto rapidamente si sta espandendo lo spazio. Le misure forniscono un valore per la costante di Hubble che conferma la sua età di 13,7 miliardi di anni, con un errore di 170 milioni di anni. Queste misure confermano inoltre l’esistenza di una componente misteriosa, l’energia scura, che sarebbe responsabile dell’espansione accelerata dell’Universo.

Immagine in falsi colori del sistema B1608+656. Si notano le due galassie interagenti G1 e G2 che determinano l’effetto della lente gravitazionale e le quattro immagini A,B,C,D che rappresentano una copia quadruplicata della stessa galassia di sfondo.

Il fenomeno della lente gravitazionale avviene quando due galassie si trovano allineate lungo la nostra linea di vista. Il campo gravitazionale della galassia più vicina distorce l’immagine della galassia più distante formando immagini multiple allungate a forma di arco. A volte, si forma una immagine distorta, un anello chiuso, che viene chiamato “anello di Einstein”. I ricercatori del Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) hanno utilizzato il fenomeno della lente gravitazionale per misurare la distanza di una galassia attiva brillante analizzando le diverse traiettorie della luce. Calcolando le velocità di propagazione dei diversi raggi luminosi, essi hanno non solo stimato la distanza a cui si trova la galassia ma addirittura la scala delle dimensioni globali dell’Universo e alcuni parametri relativi all’espansione dello spazio. “Da tempo sappiamo che il fenomeno della lente ci permette di ottenere una stima della costante di Hubble” dice Phil Marshall dell’Università di Cambridge. Comunque sia, l’utilizzo di questo metodo non è mai stato utilizzato con una tale precisione rispetto a quanto fatto di recente. Queste misure forniscono una stima ugualmente accurata della costante di Hubble così come lo sono state nel passato quelle derivate dall’osservazione di supernovae e della radiazione cosmica di fondo.

Quando un corpo celeste di grandi dimensioni, come appunto una galassia, blocca la radiazione proveniente da un oggetto distante, ad esempio un’altra galassia, la luce viene deviata dal campo gravitazionale dell’oggetto interposto. Tuttavia, anziché seguire una singola traiettoria, la luce può essere deflessa attorno all’oggetto interposto formando una, due o quattro immagini multiple. Mentre la luminosità del nucleo della galassia di sfondo fluttua,  gli astronomi possono così misurare il flusso della radiazione associata alle quattro immagini distinte, come nel caso di  B1608+656, che è stato l’oggetto di studio. Sherry Suyu, dell’Università di Bonn, ha dichiarato “Nel nostro caso, si sono formate quattro copie della sorgente che appare come un anello di luce attorno alla lente gravitazionale“. Sebbene i ricercatori non sanno determinare quando la luce ha lasciato la sua sorgente, essi possono ancora confrontare i tempi di arrivo della radiazione. E’ un po’ come considerare delle macchine che per evitare il traffico e arrivare in tempo alla destinazione prendono quattro strade diverse. Allo stesso modo le traiettorie della luce possono subire dei ritardi durante la loro propagazione nello spazio prima di giungere aitelescopi. L’effetto della lente tiene conto di tutte le variabili coinvolte come la distanza, ladensità del mezzo, e ci dà una buona indicazione relativa al tempo impiegato dalla luce che ha lasciato la galassia di sfondo.

Nonostante il metodo che si basa sull’effetto della lente gravitazionale ci permetta di avere una stima migliore della costante di Hubble e dell’espansione dell’Universo, rimangono ancora diversi fattori da tenere in considerazione per determinare, in definitiva, le distanze cosmiche con una accuratezza sempre migliore.

ArXiv 1: DISSECTING THE GRAVITATIONAL LENS B1608+656. I. LENS POTENTIAL RECONSTRUCTION

ArXiv 2: DISSECTING THE GRAVITATIONAL LENS B1608+656. II. PRECISION MEASUREMENTS OF THE HUBBLE CONSTANT, SPATIAL CURVATURE, AND THE DARK ENERGY EQUATION OF STATE

Quanto è ‘scura’ la materia scura?

Un gruppo di ricercatori dell’Università della Florida ha trascorso quasi dieci anni a monitorare un esperimento che utilizza rivelatori al germanio e al silicio, raffreddati fino a qualche frazione di grado sopra lo zero assoluto, allo scopo di studiare la materia scura. Il risultato? Forse si è trovato qualcosa che suggerisce di continuare la ricerca.

Per capire gli effetti dovuti alla presenza della materia scura basta dare una occhiata, ad esempio, al Sistema Solare dove Mercurio, per rimanere in orbita attorno al Sole, si deve muovere con una velocità orbitale di 48 Km/sec mentre il più lontano Nettuno lo fa muovendosi con una velocità orbitale di soli 5 Km/sec. Ciò non si osserva nel caso della Via Lattea o in altre galassie. In altre parole, la materia nelle regioni più esterne di una galassia a spirale si muove quasi con la stessa velocità orbitale della materia che si trova invece in prossimità delle regioni più centrali della galassia. Questo fatto è alquanto sorprendente dato che non sembra esistere abbastanza gravità nelle regioni più esterne del sistema galattico che possa mantenere la materia in orbita attorno alla galassia dato che, altrimenti, si disperderebbe nello spazio. Ciò implica che deve esistere una maggiore forza gravitazionale per spiegare come mai queste galassie continuano ad orbitare e stare insieme, cioè deve esistere altra materia che non vediamo e che per motivi di ignoranza chiamiamo appunto materia scura. Sappiamo che la presenza di materia scura è importante per mantenere gli ammassi di galassie legati gravitazionalmente e, inoltre, essa ci permette di spiegare il fenomeno della lente gravitazionale su larga scala, come si può vedere ad esempio nel Buller Cluster. I modelli ricostruiti al computer suggeriscono che le galassie possono avere aloni di materia scura e che essa può essere distribuita all’interno della loro struttura nello spazio intergalattico determinando così il 90% della massa galattica totale. Attualmente si ritiene che una piccola componente di materia scura sia di tipo barionico, cioè formata da protoni e neutroni, e che può esistere sotto forma di gas freddo e denso, come buchi neri, stelle di neutroni, nane brune o pianeti massicci e isolati (planemi), tutte componenti note come Massive Astrophysical Compact Halo Objects (MACHOs). Tuttavia queste componenti non producono quegli effetti gravitazionali osservati che sono invece dovuti appunto alla materia scura. In conclusione la maggior parte di questa componente misteriosa deve esistere nella forma di materia di tipo non barionico, cioè nella forma delle cosiddette Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs).

Tra le particelle note come WIMPs, che probabilmente non hanno carica elettrica, i neutrini, prodotti in abbondanza dalle reazioni di fusione nucleare che hanno luogo nei nuclei delle stelle, potrebbero essere i migliori candidati anche se la loro massa non è sufficiente per giustificare gli effetti osservati. Invece,  la particella ideale per rappresentare la materia scura potrebbe essere il cosiddetto neutralino, una particella ipotetica prevista dalla teoria della supersimmetria. Il secondo esperimento chiamato Cryogenic Dark Matter Search Experiment (CDMS II), costituito da rivelatori a cristalli liquidi, è situato in una miniera di ferro nel Minnesota e ha lo scopo di rivelare solamente alcune particelle che sono in grado di penetrare in profondità il terreno. L’esperimento cerca quegli eventi di ionizzazione che possono essere utilizzati per distinguere le interazioni elettroniche da quelle nucleari. Si assume infatti che una particella WIMP ignori gli elettroni e potenzialmente interagisca con un nucleo. Ad oggi sono stati riportati due possibili eventi che tuttavia non possono essere considerati statisticamente significativi ma possono dare comunque una direzione alla ricerca. I risultati ottenuti dal gruppo di ricercatori indicano non solo quanto sia complicato rivelare una particella WIMP, cioè quanto scura sia la materia scura, ma che dovrà essere necessario migliorare la sensibilità stessa dei rivelatori.