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A dark-disk Universe

Un gruppo di ricercatori della Harvard University hanno proposto l’esistenza di un diverso tipo di materia scura che non è descritto dai modelli attuali. Nel loro articolo pubblicato su Physical Review Letters, gli scienziati suggeriscono che la materia scura non sia necessariamente ‘fredda’ e che non interagisca con altre particelle.

In the visible Universe, galaxies form into a disk shape, just like the Milky Way. All of its members align roughly along a single plane, this due to the forces of gravity and spin. Objects form into masses which, over time, spread out into a disk shape. Dark matter, on the other hand, appears to hover around galaxies like a halo, at least according to current models (post1; post2). It’s seen as dark, cold and with so little energy that dark matter particles rarely if ever run into one another. The researchers in this new study suggest there may be other types of matter, however, that behaves more like visible matter. And, because of that, they suggest it could bunch up due to dark-matter-type gravity and form disks as well. These disks, which they describe as dark matter component double-disk dark matter, could represent as much as 5 percent of all existing dark matter. For dark matter to clump, it would need to have other properties similar to visible matter as well. For that reason, the researchers suggest it’s possible that there exists dark atoms, dark photons, and likely some form of dark electromagnetic force as well. Research on dark matter over the years has led to a model that describes dark matter as existing in a ball shape—galaxies sit in the middle of the ball, which would mean observers living in a galaxy would “see” it as existing everywhere around them. But it’s possible that other types of shapes exist as well, the researchers suggest, because there are other types of matter in the visible Universe. They note that baryonic matter, that is matter made of strongly acting fermions known as baryons, is believed to make up approximately 5 percent of all matter in the known Universe. For that reason, they conclude that it would appear likely that similar differences in dark matter would occur as well, and perhaps in nearly equal proportions. If true, it would mean there could be whole dark galaxies out there, undetectable, yet as real as those we can see with the naked eye. Much more research will have to be done in this area before adding such types of dark matter to models in general use, of course. Until then, it will remain an abstract theory.

arXiv: A Dark-Disk Universe

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Un ‘ponte’ di gas che si estende nello spazio per 10 milioni di anni-luce

Grazie ad una serie di osservazioni realizzate dal satellite Planck è stato possibile rivelare un ‘ponte’ di gas caldo che collega due ammassi di galassie separati da una distanza di 10 milioni di anni-luce nello spazio intergalattico.

Questo filamento di gas, che ha una temperatura di 80 milioni di gradi Kelvin, connette due ammassi di galassie, Abell 399 e Abell 401, e ha origine in parte dal mezzo intergalattico composto da filamenti di gas che si ritiene pervadano l’intero Universo. Questa scoperta è interessante perché permette di avere ulteriori indizi sulla cosiddetta ‘materia barionica mancante’ che gli astronomi stanno tentando di rivelare per risolvere un problema osservativo: infatti, la quantità di materia barionica osservata nell’Universo distante e quella presente nell’Universo vicino non coincidono. I ricercatori ritengono che il cosiddetto Warm-Hot Intergalactic Medium (WHIM), cioè quella rete cosmica composta sia da materia scura che da quella barionica,  potrebbe essere un buon candidato dove trovare quei ‘barioni mancanti’. Le simulazioni numeriche sulla formazione delle strutture cosmiche prevedono che le galassie e gli ammassi di galassie siano ‘ancorate’, per così dire, nella rete cosmica e che il mezzo intergalattico WHIM possa tener conto della quantità di materia barionica dell’Universo locale. Questo particolare network composto da gas tenue possiede temperature che vanno da 100 mila a diverse decine di milioni di gradi Kelvin e data la sua densità estremamente bassa risulta difficile da rivelarlo.


[Press release: Planck spots hot gas bridging galaxy cluster pair]

Article in depth

Science paper

I quasar per lo studio dell’energia scura

Il progetto BOSS, che sta per Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, copre un enorme volume di spazio ed è stato concepito per misurare gli effetti dell’energia scura sull’evoluzione dell’Universo. Si tratta del più grande programma scientifico della terza survey denominata Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III) che ha appena annunciato il primo risultato importante relativo ad una nuova tecnica di mappatura che si basa sull’analisi degli spettri di più di 48.000 quasar i più distanti dei quali si trovano a circa 11,5 miliardi di anni-luce.

Nessuna tecnica per lo studio dell’energia scura ha permesso di esplorare questa epoca così antica risalente alle fasi primordiali della storia cosmica durante le quali la materia era ancora abbastanza densa  da rallentare l’espansione dell’Universo, mentre invece l’influenza dell’energia scura non si era ancora fatta sentire“, spiega David Schlegel investigatore principale del programma BOSS. “Oggi, l’espansione dello spazio sta accelerando perché l’Universo è dominato dall’energia scura. Il modo con cui l’Universo è passato dalla fase di decelerazione a quella di accelerazione rimane ancora uno dei misteri della moderna cosmologia” (vedasi Enigmi Astrofisci). BOSS permette di studiare gli effetti dovuti all’energia scura andando ad analizzare le oscillazioni acustiche dovute alla materia barionica (Barionic Acoustic Oscillations, BAO), la grande rete cosmica che mostra le variazioni della distribuzione delle galassie visibili e delle nubi di gas intergalattico, difficili da osservare, che sono altrettanto importanti per la studio della materia scura. Le spaziature regolari dei picchi della densità di materia hanno origine dalle variazioni di densità primordiali, i cui resti sono visibili oggi nella radiazione cosmica di fondo. Queste spaziature offrono una sorta di ‘righello cosmico’ per calibrare il tasso di espansione dell’Universo laddove le oscillazioni acustiche di origine barionica possono essere misurate. Utilizzando il telescopio della Sloan Foundation presso l’osservatorio astronomico di Apache Point nel New Mexico, BOSS ha iniziato una duplice campagna di osservazioni spettroscopiche per studiare le oscillazioni acustiche barioniche. La prima priorità è stata quella di esaminare le galassie normali luminose che hanno redshift fino a 0,8, equivalente ad una distanza di circa sette miliardi di anni-luce, i cui primi risultati del campione che comprendeva oltre 300.000 galassie sono stati annunciati nel marzo 2012. Ma per studiare il contributo delle oscillazioni acustiche barioniche dovuto alle galassie che hanno redshift abbastanza elevati non è sufficiente un telescopio di 2,5 metri. Dunque, il secondo obiettivo di BOSS sono stati i quasar. “I quasar sono gli oggetti più luminosi del cielo, e quindi rappresentano l’unico modo credibile per misurare spettri fino a redshift 2.0 e oltre“, dice Schlegel. “A questi redshift così elevati ci sono almeno cento volte più galassie rispetto ai quasar, ma sono troppo deboli per studiare le oscillazioni acustiche barioniche“.

Tuttavia, i quasar sono troppo scarsi per misurare direttamente le oscillazioni acustiche, ma c’è un altro modo per rivelarli a redshift elevati. Dato che la radiazione emessa da un quasar passa attraverso le nubi di gas intergalattico nel suo percorso prima di raggiungere i nostri strumenti, il suo spettro presenterà un gran numero di righe di assorbimento dell’idrogeno, note come Lyman-alfa forest. Idealmente, ogni riga di assorbimento nello spettro di un singolo quasar ci dà delle indicazioni sulla variazione della densità del gas che interviene lungo la linea di vista. Considerando un certo numero abbastanza elevato di quasar, che coprono allo stesso tempo una ampia zona di cielo, è possibile mappare in 3D la distribuzione delle nubi di gas. Questa idea è stata avanzata agli inizi degli anni 2000 da Patrick McDonald, all’epoca presso l’Istituto Canadese di Astrofisica Teorica, e da Martin White, entrambi ora alla Physics Division dei Laboratori Berkeley. “Quando ho presentato l’idea a una conferenza di cosmologia, nel 2003, hanno pensato che fossi pazzo“, dice White, che è anche un professore di fisica e astronomia presso la University of California a Berkeley e presidente dei progetti di survey che utilizzano BOSS. “Nove anni più tardi, BOSS ha dimostrato che si tratta di una tecnica incredibilmente potente. Infatti è andato al di là dei nostri sogni più folli“. Il primo risultato della Lyman-alpha forest, cioè la prima mappa delle oscillazioni acustiche barioniche in questa fase primordiale dell’evoluzione dell’Universo, si basa solo su un terzo del volume di spazio che sarà esplorato da BOSS e comprende 60.369 quasar già confermati dall’analisi degli spettri. Per semplificare la ricerca delle oscillazioni acustiche, molti di questi oggetti sono stati scartati a causa di una serie di contaminazioni che alterano il segnale che si vuole cercare perciò alla fine sono stati considerati solo 48.129 quasar. Già nel 2011, un team guidato da Anže Slosar del Brookhaven National Laboratory aveva dimostrato la fattibilità dell’esperimento per misurare la variazione di densità del gas idrogeno intergalattico su distanze cosmologiche utilizzando solo un campione di 14.000, un dato sufficiente per stabilire una prova concreta al livello teorico. Una volta eseguita l’elaborazione dei dati e avere generato falsi spettri, le analisi della Lyman-alfa forest di oltre 48.000 quasar hanno dato risultati simili. Dunque, applicando questi dati numerici agli spettri veri dei quasar è stato possibile ottenere un quadro della distribuzione di densità del gas che ci permette di avere un prima idea sull’andamento delle oscillazioni acustiche in questa regione dello spazio precedentemente inesplorata. “Stiamo osservando indietro nel tempo quando l’espansione dell’Universo era dominata dalla decelerazione dovuta alla materia scura e l’energia scura era difficile da rivelare. Il passaggio dalla decelerazione all’espansione è stato molto netto e ora viviamo in una epoca dominata dall’energia scura. Una delle grandi domande aperte in cosmologia è: perché adesso? ” E’ una domanda a cui BOSS cercherà di rispondere man mano che raccoglierà la luce di più di un milione e mezzo di galassie e più di 160.000 quasar prima che la survey SDSS-III sarà completata. Nel frattempo, possiamo affermare che la tecnica di analisi della foresta Lyman-alfa ha aperto una nuova visione dell’Universo primordiale che in futuro potrà essere completata con indagini più potenti come quella già proposta e denominata BigBOSS.

[Press release: BOSS Quasars Unveil a New Era in the Expansion History of the Universe]

arXiv: Baryon Acoustic Oscillations in the Ly-α forest of BOSS quasars

LUX, il rivelatore più sensibile per lo studio della materia scura

Uno dei più grandi enigmi ancora aperti della cosmologia moderna potrebbe avere, per così dire, le ore contate. Sì perchè da qualche giorno i ricercatori del Sanford Underground Laboratory hanno cominciato a posizionare il rivelatore Large Underground Xenon (LUX) presso una caverna situata nella miniera, oggi chiusa, di Homestake Gold Mine in Lead nel Sud Dakota. Naturalmente, la scelta di porre sottoterra un tale rivelatore è dovuta al fatto che le particelle che compongono la materia scura vengono schermate dalla presenza della radiazione cosmica che può interferire durante il processo di misura. A quanto pare, si tratta dell’esperimento dotato della sensibilità più elevata se confrontata con quella dei vari rivelatori sparsi sul globo.

Gli scienziati che fanno parte del gruppo di ricerca sono molto fiduciosi in quanto ritengono che verso la fine dell’anno, cioè a partire da Dicembre quando il rivelatore comincerà a raccogliere i primi dati, si avrà un altro risultato importante simile a quello annunciato di recente dagli esperimenti di LHC sul bosone scalare (vedasi questo post). “Uno dei problemi più grossi è quello di rivelare la materia scura”, spiega Tom Shutt, un fisico della Case Western Reserve University e che lavora al progetto LUX. “Se saremo in grado di capire di cosa si tratta, allora faremo un grande passo in avanti verso la comprensione della fisica”. Certamente, scoprire di che cosa è fatta la materia scura avrà delle implicazioni di vitale importanza dalle quali ci aspettiamo di avere delle risposte su come mai viviamo oggi in un Universo dominato da materia piuttosto che dall’antimateria. Insomma, la strada che stiamo cercando di percorrere ci sta portando verso la comprensione di quelle che sono le componenti fondamentali che costituiscono il nostro Universo.

Lente gravitazionale e galassie distanti

Il fenomeno della lente gravitazionale rappresenta un metodo unico e promettente per studiare quanta materia scura esiste nell’Universo e come si distribuisce nello spazio. Uno studio recente ad opera di un gruppo di ricercatori del Dipartimento dell’Energia del Lawrence Berkeley National Laboratory ha permesso di estendere il fenomeno della lente gravitazionale per studiare le strutture più vecchie e più piccole rispetto a quanto fatto in precedenza.

Finora, il fenomeno della lente gravitazionale è stato limitato al calcolo della massa totale di gruppi e ammassi di galassie relativamente vicini. La massa totale di un ammasso è dovuta al contributo sia della materia ordinaria, cioè la materia visibile formata da stelle e polveri, altresì chiamata materia barionica , che della materia invisibile, la materia scura, che forma lo “scheletro”, per così dire, su cui si distribuiscono le galassie negli ammassi. Gli astronomi hanno trovato una relazione importante relativamente agli ammassi vicini che lega la massa totale, determinata dall’effetto della lente gravitazionale, con la luminosità dei raggi-X dovuta alla materia ordinaria. “Siamo stati in grado di estendere le misure alla massa delle strutture più piccole che sono esistite durante le fasi primordiali della storia dell’Universo permettendoci di capire meglio la relazione che esiste tra la materia ordinaria presente nelle strutture più dense e la massa totale dovuta alla materia scura così come viene misurata dall’effetto della lente gravitazionale“, dice Alexie Leauthaud, Chamberlain Fellow alla Divisione di Fisica del Berkeley Laboratory e membro del Berkeley Center for Cosmological Physics (BCCP) .