La distribuzione e la composizione della materia oscura: alcune ipotesi

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 gruppo di astronomi texani ritiene di aver scoperto la risposta 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 l’anno scorso 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: 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

Immagine 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.

Una materia oscura, ma non troppo.

Vista notturna del disco della Via Lattea. (Crediti: Bruno Gilli/ESO).

Di solito le ricerche sulla materia oscura sono connesse solo con le WIMPs e con gli assioni. Da oggi in poi non sarà più così, soprattutto se verrà confermato il modello teorico pubblicato sulla rivista Physical Review Letters (e disponibile su ArXiV) dal team di ricerca coordinato da Lisa Randall docente di Harvard. Secondo questo studio, infatti, una piccola percentuale della materia oscura, intorno al 5%, potrebbe interagire con se stessa. Questa porzione della materia oscura formerebbe un disco nel piano di molte galassie, sovrapponendosi alla materia ordinaria: per questo motivo la sua presenza potrebbe essere verificata sperimentalmente dalle missioni espressamente dedicate alla rivelazione della materia oscura, come PAMELA dell’INFN, Fermi della NASA e AMS-02 a bordo della Stazione spaziale internazionale, o dal satellite GAIA dell’ESA. 

L’esistenza di una materia oscura di nuovo tipo, le cui particelle interagiscono parzialmente tra di loro, formando grandi dischi che si sovrappongono alle galassie, è per ora solo un’ipotesi esplicativa. Sarebbe stata introdotta per fornire una spiegazione alternativa della dinamica delle galassie osservabili. Fino ad oggi la materia oscura viene chiamata in causa per spiegare la velocità delle loro porzioni più periferiche. La sola materia osservabile, infatti, non è sufficiente a far quadrare le osservazioni con le leggi della dinamica newtoniana. In estrema sintesi, uno dei cardini delle teorie sulla materia oscura è che essa interagisca debolmente con la materia ordinaria. Per rendere conto delle interazioni gravitazionali che tengono insieme le galassie così come le osserviamo, si ipotizza che la materia oscura formino una sorta di “alone amorfo” intorno alle galassie stesse. Nessuno tuttavia sa di che cosa sia fatta, anche se sono state avanzate varie ipotesi. In pole position ci sono gli assioni, numerosissimi e dotati di una massa ridottissima, che  entrerebbero raramente in collisione gli uni con gli altri e le WIMPs, dotate di massa ma debolmente interagenti con se stesse e con il resto della materia.

Nuove ipotesi sulla materia oscura

(Crediti: NASA).

Un nuovo tipo di materia oscura? Secondo Lisa Randall e colleghi, tuttavia, questo modello è semplicistico. Occorre correggerlo postulando l’esistenza di una materia oscura che interagisce parzialmente con se stessa, la PIDM (Partially Interacting Dark Matter): si tratterebbe di una piccola percentuale della materia oscura, circa il 5%, considerando le caratteristiche della materia oscura che circonda la Via Lattea. L’idea è dunque che i due tipi di materia oscura si distribuiscano in modo diverso intorno alle galassie, e si parla perciò di una materia oscura a doppio disco, la DDDM (Double-Disk Dark Matter).

In questo scenario, il DDDM sarebbe in grado di dissipare l’energia ma conservando l’inerzia angolare del proprio moto intorno al centro della galassia, il che determina la formazione di un sottile disco nel piano galattico, così come avviene per la materia ordinaria. Più nel dettaglio, il disco di materia oscura e quello della materia ordinaria avrebbero la stessa massa: ciò implica che la densità del DDDM e quella della materia normale nell’universo dovrebbe essere circa uguali. Uno degli aspetti più interessanti del modello è la possibilità di verificarlo sperimentalmente: un test si potrebbe fare osservando l’effetto gravitazionale che la PIDM ha sul moto di miliardi di stelle nella Via Lattea, che potrà essere studiata dalla missione GAIA (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics) dell’ESA, l’agenzia spaziale europea, di cui è previsto il lancio questo autunno.

Anche le missioni dedicate alla rivelazione della materia oscura, come PAMELA, dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN), Fermi, della NASA, e AMS-02, a bordo della Stazione spaziale internazionale, potrebbero cogliere segnali importanti come l’annichilazione delle PIDM.

Fonti:

http://phys.org/news/2013-09-astronomers-unravel-year-dark-mystery.html

http://www.wired.com/wiredscience/2013/05/double-disk-dark-matter.

(Articolo comparso su cyberscienza nell’aprile del 2013).

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