La massa e la distribuzione della materia oscura

Astronomers unravel 20-year dark matter mystery with new computer models

In questa immagine composita ottenuta grazie al Digitized Sky Survey 2, vediamo a galassia nana Fornax è una delle più vicine alla Via Lattea. (Crediti: ESO/Digitized Sky Survey 2).

Un team di astronomi dell’Università del Texas ritiene di aver risolto ad un problema che da oltre 20 anni divide la comunità scientifica: in che modo è distribuita la misteriosa materia oscura nelle galassie di dimensioni modeste? John Jardel e il suo tutor Karl Gebhardt hanno scoperto che in media la distribuzione della materia oscura segue una semplice legge di densità decrescente che va da zone più dense, quelle del centro della galassia, a quelle periferiche (benché l’esatta distribuzione varia spesso da galassia a galassia). I risultati sono stati pubblicati qualche mese fa nella rivista The Astrophysical Journal Letters.

Dal momento che non emette luce, quello che sappiamo della materia oscura lo dobbiamo agli effetti gravitazionali che esercita sui corpi circostanti. Stelle morte, invisibili particelle, particelle esotiche non ancora note al Modello Standard, le WIMPs (un chiarimento su queste elusive particelle si trova nella seconda parte dell’articolo): le teorie sulla sua composizione sono molteplici. L’unico modo per capire come l’Universo si è evoluto fino allo stato attuale è quello di decodificare il ruolo di materia oscura. Per questo motivo, gli astronomi studiano la distribuzione della materia oscura all’interno delle galassie e su scale ancora più grandi. Le galassie nane, in particolare, sono grandi laboratori per lo studio della materia oscura perché contengono una quantità di materia oscura fino a 1.000 volte superiore alla materia ordinaria. Invece, le galassie normali – come la Via Lattea – ne contengono solo una quantità di 10 volte superiore.

In che modo la materia oscura è distribuita nelle galassie? Gli astronomi, attraverso i loro studi sui dati raccolti dai telescopi, sostengono che le galassie rivelano una distribuzione abbastanza uniforme della materia oscura. Ma una nuova teoria supportata da simulazioni al computer ritiene che la densità di materia oscura diminuisce progressivamente e con parametri costanti se ci si sposta dal nucleo di una galassia alle zone più periferiche – si parla di  “core/cusp debate”.

Astronomers unravel 20-year dark matter mystery with new computer models

Fotografia del Lonestar supercomputer situato nel Texas Advanced Computing Center (TACC) presso l’Università del Texas, Austin. (Crediti: TACC/UT-Austin).

Per ottenere questo risultato, John Jardel e il suo tutor Karl Gebhardt hanno incrociato i dati provenienti dall’attività osservativa dei telescopi con le simulazioni del potente supercomputer TACC; in particolare sono state osservate alcune zone limitrofe alla Via Lattea, galassie nane comprese, che sembrano confermare la presenza di una densità maggiore di materia oscura al centro. “Quando si osservano le galassie singolarmente, alcune di loro sembrano molto diverse dalle aspettative. Tuttavia, quando si fa una media dei risultati ottenuti su diverse galassie, queste differenze tendono ad annullarsi a vicenda. Questo sembra suggerire che la teoria che spiega la distribuzione della materia oscura nelle galassie è corretta nel complesso, ma che ogni galassia si sviluppa in modo leggermente diverso dalle altre”, spiega John Jardel.

Insomma, è come se ciascuna galassia si riservasse gradi di libertà differenti, del tutto propri, nel suo sviluppo strutturale, e che questi stessi riescano ad armonizzarsi solo su larga scala e a seguito di osservazioni comparative sulla storia e sviluppo di più galassie insieme. Resta ancora da capire come la materia oscura interagisce con quella ordinaria, nonché la presenza di “aloni” di materia oscura in alcune zone e non in altre. (Fonte: http://phys.org/news/2013-09-astronomers-unravel-year-dark-mystery.html).

dark matter

Il centro di Abell 1689 fotografato da Hubble. (Crediti: NASA, N. Benitez (JHU), T. Broadhurst (Racah Institute of Physics/The Hebrew University), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI),G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), the ACS Science Team and ESA).

Veniamo ora ad un secondo aspetto della questione. Determinare la massa delle particelle di materia oscura richiede calcoli ed esperimenti che prendano in considerazione molti fattori tra cui la distribuzione della velocità delle particelle che, però, porta con sé un elevato grado di incertezza. In un nuovo studio i fisici hanno presentato un metodo indipendente dai modelli attuali che non richiede alcuna ipotesi circa la distribuzione di velocità; ciò significa che sarebbe possibile determinare la massa di queste elusive particelle in modo imparziale. Bradley J. Kavanagh e Anne M. Green dell’Università di Notthingham hanno presentato i loro risultati in un articolo sulla rivista Physical Review Letters.

Anche se nessuno sa definire in modo rigoroso cosa sia la materia oscura, abbiamo già visto che le WIMPs (Weakly Interacting Massive Particle) sono ottime candidate per essere particelle di materia oscura. Le WIMPs possono essere rilevate nei laboratori sotterranei, come quello del Gran Sasso, attraverso i processi di annichilazione, oppure misurare il “rinculo” quando avviene una collisione tra una WIMPs e il nucleo di un atomo usato come rilevatore. Tuttavia, per estrarre i dati relativi alla massa, gli scienziati devono fare ipotesi circa la distribuzione della velocità delle particelle di materia oscura all’interno della Via Lattea. Questa distribuzione codifica infatti le velocità delle particelle di materia oscura e determina le energie di rinculo osservate negli esperimenti.

Di solito per ottenere questi dati viene utilizzato il modello più semplice della Via Lattea – lo standard halo model – ma alcune simulazioni recenti hanno dimostrato che non sempre è corretto. Ad esempio, non tiene conto degli effetti dei barioni che potrebbero generare discrepanze nella distribuzione della velocità e, correlativamente, influire sulla determinazione della massa delle WIMPS. Anche se diversi approcci sono stati proposti per spiegare questa incertezza, tutti incorporano ancora notevoli lacune o avanzano ulteriori ipotesi che appesantiscono la teoria. In questo studio si tenta di ovviare a tutto ciò presentando un metodo “indipendente dal background”, nel senso che non ricorre ad ipotesi sulla distribuzione della velocità per dedurre la massa delle WIMPS. Contrariamente a questo approccio di base, qui sono stati studiati tre scenari possibili – o tre insiemi di dati – che sono in grado di rivelare alcune caratteristiche delle WIMP. Il risultato è il seguente:  sebbene il metodo incorpora un’inevitabile incertezza nella sezione trasversale (un fattore che comporta l’interazione delle particelle), esso potrebbe ancora recuperare con precisione la massa delle WIMPs. Si tratta ovviamente di una teoria che spera, grazie a successivi esperimenti, di trovare la massa usando parametri alternativi. Quali?

Ecco il problema. La materia oscura non può essere rappresentata da nessuna delle particelle conosciute dal Modello Standard. I ricercatori sperano che la materia oscura debba trovarsi sotto forma di una nuova specie di particella, disciplinata da una nuova fisica che vada oltre il Modello Standard. Conoscendo la massa della materia oscura di questa particella che ancora non conosciamo, si può avere un’idea di questa nuova fisica che permetterà anche di capire qual è il valore corretto della massa. Conosciamo dunque i limiti di questi esperimenti ma non sappiamo quanto debolmente le particelle di materia oscura interagiscono con i nuclei ordinari. Finché non ci saranno conferme sperimentali in questo senso, la tesi argomentata nel paper resta puramente teorica. (Fonte: phys.org/news/2013-07-model-independent-dark-mass-future-discoveries.html).

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