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Laniakea, il superammasso di galassie che comprende la Via Lattea

Grazie ad una serie di osservazioni realizzate con il Green Bank Telescope (GBT) e altri strumenti, un gruppo di astronomi hanno determinato la posizione della nostra galassia nel contesto di un enorme superammasso di galassie denominato “Laniakea”, che nel linguaggio hawaiano vuol dire “immenso paradiso”. La scoperta permette di definire meglio i limiti del nostro vicinato galattico e di stabilire quali sono in definitiva i collegamenti, si fa per dire, tra i vari ammassi di galassie nell’Universo locale.

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L’ambiente attorno ai buchi neri supermassicci

Presenti nei nuclei delle galassie, i buchi neri supermassicci sono determinanti per l’evoluzione delle stelle non solo grazie all’enorme e all’intensa attrazione gravitazionale che essi esercitano ma anche per la formazione dei getti relativistici che si diffondono nello spazio intergalattico.

“Durante la sua vita, un buco nero può emettere così tanta energia da superare quella dovuta a tutte le stelle della galassia”, spiega Roger Blandford direttore del Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology e membro dell’Accademia delle Scienze negli Stati Uniti. “I buchi neri hanno un impatto fondamentale sulla formazione e l’evoluzione delle galassie”. Per definizione, i buchi neri non sono osservabili dato che esercitano una enorme attrazione gravitazionale che persino la luce non è in grado di vincere. Gli scienziati acquisiscono le informazioni sui buchi neri andando a studiare gli oggetti che orbitano attorno ad essi: in particolare, le stelle e i dischi di accrescimento. Grazie a queste informazioni indirette, gli astronomi sono in grado di elaborare una serie di modelli numerici allo scopo di descrivere i fenomeni fisici che avvengono attorno a questi ‘mostruosi’ oggetti. “Tutti i test della relatività generale seguono le previsioni della teoria di Einstein nel limite in cui il campo gravitazionale è debole, come ad esempio nel nostro Sistema Solare”, dice Jonathan McKinney, un professore di fisica dell’University of Maryland a College Park. “Tuttavia, esiste un altro regime, e cioè quello del campo gravitazionale forte, dove diventa più complicato verificare le previsioni della relatività generale. I buchi neri rappresentano il ‘luogo’ dello spazio più estremo per fare questi test”. Assieme ai dischi di accrescimento, in cui la materia orbita nella parte più esterna e a noi visibile dell’orizzonte degli eventi, i buchi neri sono caratterizzati da due getti relativistici che emergono dalle regioni centrali in direzione perpendicolare al piano del disco di accrescimento. Qui la materia è presente sottoforma di plasma o gas ionizzato e viene espulsa, per così dire, fino a centinaia o migliaia di anni-luce nello spazio intergalattico. McKinney, Tchekhovskoy e Blandford hanno simulato numericamente la formazione dei dischi di accrescimento e dei getti relativistici trovando che essi tendono a diventare molto più distorti ed incurvati rispetto a quanto ipotizzato in precedenza, una conseguenza dovuta sia all’estrema forza di gravità del buco nero che alle intense forze magnetiche generate dalla sua rotazione. Il loro modello fornisce così nuovi indizi molto dettagliati che contribuiscono ad una nuova conoscenza in questo campo di ricerca. Le simulazioni sono state realizzate con i potenti supercomputer della National Science Foundation’s Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).


XSEDE: Journey to the Limits of Spacetime

arXiv: Alignment of Magnetized Accretion Disks and Relativistic Jets with Spinning Black Holes

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

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.