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    La materia oscura è sfocata?

    Credito:raggi X:NASA/CXC/Cinestav/T.Bernal et al.; Ottica:Adam Block/Mt. Lemmon SkyCenter/U. Arizona

    Gli astronomi hanno utilizzato i dati dell'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA per studiare le proprietà della materia oscura, il misterioso, sostanza invisibile che costituisce la maggioranza della materia nell'universo. Lo studio, che coinvolge 13 ammassi di galassie, esplora la possibilità che la materia oscura possa essere più "sfocata" che "fredda, " forse anche aggiungendo alla complessità che circonda questo enigma cosmico.

    Per diversi decenni, gli astronomi conoscevano la materia oscura. Sebbene non possa essere osservato direttamente, la materia oscura interagisce attraverso la gravità con il normale, materia radiante (cioè qualsiasi cosa fatta di protoni, neutroni, ed elettroni impacchettati in atomi). Sfruttando questa interazione, gli astronomi hanno studiato gli effetti della materia oscura utilizzando una varietà di tecniche, comprese le osservazioni del moto delle stelle nelle galassie, il moto delle galassie negli ammassi di galassie, e la distribuzione di raggi X che emettono gas caldo negli ammassi di galassie. La materia oscura ha anche lasciato un'impronta sulle radiazioni rimaste dal Big Bang 13,8 miliardi di anni fa.

    Però, gli astronomi hanno lottato per decenni per comprendere le proprietà dettagliate della materia oscura. In altre parole, vorrebbero sapere come si comporta la materia oscura in tutti gli ambienti, e, in definitiva, di cosa è fatto.

    Il modello più popolare assume che la materia oscura sia una particella più massiccia di un protone "freddo", il che significa che si muove a velocità molto inferiori a quella della luce. Questo modello è riuscito a spiegare la struttura dell'universo su scale molto grandi, molto più grande delle galassie, ma ha problemi a spiegare come la materia è distribuita sulle scale più piccole delle galassie.

    Per esempio, il modello della materia oscura fredda prevede che la densità della materia oscura al centro delle galassie sia molto più alta che nelle regioni circostanti vicine al centro. Poiché la materia normale è attratta dalla materia oscura, dovrebbe anche avere un forte picco di densità al centro delle galassie. Però, gli astronomi osservano che la densità sia della materia oscura che di quella normale al centro delle galassie è distribuita in modo molto più uniforme. Un altro problema con il modello della materia oscura fredda è che prevede un numero molto più elevato di piccole galassie in orbita attorno a galassie come la Via Lattea rispetto a quello che gli astronomi vedono effettivamente.

    Per affrontare questi problemi con il modello della materia oscura fredda, gli astronomi hanno escogitato modelli alternativi in ​​cui la materia oscura ha proprietà molto diverse. Uno di questi modelli sfrutta il principio della meccanica quantistica secondo cui a ogni particella subatomica è associata un'onda. Se la particella di materia oscura ha una massa estremamente piccola, circa diecimila trilioni di trilioni di volte più piccola della massa di un elettrone, la sua lunghezza d'onda corrispondente sarà di circa 3, 000 anni luce. Questa distanza da un picco dell'onda all'altro è circa un ottavo della distanza tra la Terra e il centro della Via Lattea. Al contrario, la più lunga lunghezza d'onda della luce, un'onda radio, è lunga solo poche miglia.

    Le onde di diverse particelle su queste grandi scale possono sovrapporsi e interferire l'una con l'altra come le onde su uno stagno, agendo come un sistema quantistico su scala galattica piuttosto che atomica.

    La grande lunghezza d'onda dell'onda delle particelle significa che la densità della materia oscura al centro delle galassie non può essere fortemente aumentata. Quindi ad un osservatore al di fuori di una galassia queste particelle apparirebbero sfocate se potessero essere rilevate direttamente, quindi questo modello è stato chiamato "materia oscura sfocata". Poiché la materia normale è attratta dalla materia oscura, sarà anche distribuita su larga scala. Questo spiegherebbe naturalmente la mancanza di un forte picco nella densità della materia al centro delle galassie.

    Questo semplice modello è riuscito a spiegare la quantità e la posizione della materia oscura nelle piccole galassie. Per le galassie più grandi, era necessario un modello più complicato di materia oscura sfocata. In questo modello, massicce concentrazioni di materia oscura possono portare a più stati quantistici (chiamati "stati eccitati"), in cui le particelle di materia oscura possono avere diverse quantità di energia, simile a un atomo con elettroni in orbite di energia superiore. Questi stati eccitati cambiano il modo in cui la densità della materia oscura varia con la distanza dal centro dell'ammasso di galassie.

    In un nuovo studio, un team di scienziati ha utilizzato le osservazioni di Chandra del gas caldo in 13 ammassi di galassie per vedere se il modello sfocato della materia oscura funziona su scale più grandi di quelle delle galassie. Hanno usato i dati di Chandra per stimare sia la quantità di materia oscura in ciascun ammasso sia come la densità di questa materia varia con la distanza dal centro dell'ammasso di galassie.

    Il grafico mostra quattro dei 13 ammassi di galassie utilizzati nello studio. I cluster sono, partendo in alto a sinistra e andando in senso orario, Abell 262, Abell 383, Abell 1413, e Abell 2390. In ciascuna di queste immagini, I dati a raggi X di Chandra sono rosa, mentre i dati ottici sono rossi, verde, e blu.

    Come per gli studi sulle galassie, il modello più semplice di materia oscura sfocata, in cui tutte le particelle hanno l'energia più bassa possibile, non era d'accordo con i dati. Però, hanno scoperto che il modello in cui le particelle avevano diverse quantità di energia, gli "stati eccitati", forniva un buon accordo con i dati. il modello sfocato della materia oscura può corrispondere alle osservazioni di questi 13 ammassi di galassie altrettanto o anche meglio di un modello basato sulla materia oscura fredda.

    Questo risultato mostra che il modello della materia oscura fuzzy può essere una valida alternativa alla materia oscura fredda, ma sono necessari ulteriori lavori per testare questa possibilità. Un effetto importante degli stati eccitati è quello di dare increspature, o oscillazioni, nella densità della materia oscura in funzione della distanza dal centro dell'ammasso. Ciò produrrebbe increspature nella densità della materia normale. L'entità attesa di queste increspature è inferiore alle attuali incertezze nei dati. È necessario uno studio più dettagliato per testare questa previsione del modello.

    Un documento che descrive questi risultati è stato recentemente accettato per la pubblicazione nel Avvisi mensili della Royal Astronomical Society ed è disponibile online. Gli autori sono Tula Bernal (Istituto Politecnico Nazionale, Città del Messico), Victor Robles (Università della California, Irvino), e Tonatiuh Matos (Istituto Politecnico Nazionale).


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