Intrappolati tra le galassie in questa immagine di Hubble ci sono archi di luce blu dall'aspetto misterioso. Queste sono in realtà immagini distorte di galassie remote dietro l'ammasso. La gravità collettiva di tutta la materia normale e oscura intrappolata all'interno dell'ammasso deforma lo spazio-tempo e influenza la luce che viaggia attraverso l'ammasso verso la Terra. Credito:NASA, ESA, e J. Lotz e il team HFF (STScI)
La vera natura della materia oscura è uno dei più grandi misteri dell'universo. Gli scienziati stanno cercando di determinare di cosa è fatta esattamente la materia oscura in modo da poterla rilevare direttamente, ma la nostra attuale comprensione ha così tante lacune, è difficile sapere cosa stiamo cercando. La capacità di WFIRST di esaminare ampie aree dell'universo ci aiuterà a capire di cosa potrebbe essere fatta la materia oscura esplorando la struttura e la distribuzione sia della materia che della materia oscura nello spazio e nel tempo.
Perché la materia oscura è un argomento così sconcertante? Gli scienziati sospettarono per la prima volta della sua esistenza oltre 80 anni fa, quando l'astronomo svizzero-americano Fritz Zwicky osservò che le galassie nell'ammasso di Coma si muovevano così velocemente che avrebbero dovuto essere scagliate nello spazio, eppure rimasero legate gravitazionalmente all'ammasso dalla materia invisibile. Poi negli anni '70, L'astronoma americana Vera Rubin ha scoperto lo stesso tipo di problema nelle singole galassie a spirale. Le stelle verso il bordo della galassia si muovono troppo velocemente per essere trattenute dalla materia luminosa della galassia:deve esserci molta più materia di quella che possiamo vedere in queste galassie per mantenere le stelle in orbita. Da queste scoperte, gli scienziati hanno cercato di mettere insieme i pezzi del puzzle usando scarsi indizi.
Attualmente esiste una vasta gamma di candidati per la materia oscura. Non abbiamo nemmeno una buona idea di quale possa essere la massa delle particelle di materia oscura, il che rende difficile trovare il modo migliore per cercarli. Le indagini ad ampio campo di WFIRST forniranno uno sguardo completo sulla distribuzione delle galassie e degli ammassi di galassie nell'universo negli studi più dettagliati sulla materia oscura mai intrapresi, grazie agli effetti gravitazionali della materia oscura. Queste indagini forniranno nuove informazioni sulla natura fondamentale della materia oscura, che consentirà agli scienziati di affinare le proprie tecniche di ricerca.
La maggior parte delle teorie sulla natura delle particelle di materia oscura suggeriscono che non interagiscono quasi mai con la materia normale. Anche se qualcuno ti lasciasse cadere un enorme pezzo di materia oscura sulla testa, probabilmente non percepiresti nulla. Non avresti alcun mezzo per rilevare la sua presenza:tutti i tuoi sensi sono discutibili quando si tratta di materia oscura. Non gli impedirai nemmeno di sfrecciare dritto attraverso il tuo corpo e verso il centro della Terra.
Questo non accade alla materia normale, come gatti o persone, perché le forze tra gli atomi nel terreno e gli atomi nei nostri corpi ci impediscono di cadere attraverso la superficie terrestre, ma la materia oscura si comporta in modo strano. La materia oscura è così poco appariscente che è persino invisibile ai telescopi che osservano il cosmo in forme di luce che i nostri occhi non possono vedere, dalle onde radio ai raggi gamma ad alta energia.
Questo mosaico del telescopio spaziale Hubble mostra una porzione dell'immenso ammasso di galassie Coma, contenente più di 1, 000 galassie, situate a 300 milioni di anni luce di distanza. Il rapido movimento delle sue galassie è stato il primo indizio dell'esistenza della materia oscura. Credito:NASA, ESA, J. Mack (STScI) e J. Madrid (Australian Telescope National Facility
Materia oscura "lente"
Se la materia oscura è invisibile, come sappiamo che esiste? Mentre la materia oscura non interagisce con la materia normale nella maggior parte dei casi, lo influenza gravitazionalmente (che è il modo in cui è stato scoperto per la prima volta decenni fa), quindi possiamo mappare la sua presenza osservando ammassi di galassie, le strutture più massicce dell'universo.
La luce viaggia sempre in linea retta, ma lo spazio-tempo, il tessuto dell'universo, è curvato dalle concentrazioni di massa al suo interno. Quindi quando la luce passa vicino a una massa, anche il suo percorso si incurva:una linea retta in uno spazio curvo. La luce che normalmente passerebbe vicino a un ammasso di galassie invece si piega verso e intorno ad esso, producendo immagini intensificate e talvolta multiple della sorgente di sfondo. Questo processo, chiamata lente gravitazionale forte, trasforma ammassi di galassie in colossali telescopi naturali che ci danno uno scorcio di oggetti cosmici distanti che normalmente sarebbero troppo deboli per essere visibili.
Poiché più materia porta a effetti di lente più forti, Le osservazioni di lenti gravitazionali forniscono un modo per determinare la posizione e la quantità di materia negli ammassi di galassie. Gli scienziati hanno scoperto che tutta la materia visibile che vediamo negli ammassi di galassie non è abbastanza per creare gli effetti di deformazione osservati. La materia oscura fornisce la gravità in eccesso.
Gli scienziati hanno confermato le precedenti osservazioni misurando quanta materia nell'universo primordiale è "normale" e quanta è "oscura" utilizzando esperimenti come la sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) della NASA. Anche se la materia normale costituisce tutto ciò che possiamo vedere, l'universo deve contenere più di cinque volte più materia oscura per adattarsi alle osservazioni.
WFIRST si baserà su precedenti studi sulla materia oscura utilizzando la cosiddetta lente gravitazionale debole che traccia il modo in cui piccoli gruppi di materia oscura deformano le forme apparenti di galassie più distanti. L'osservazione degli effetti della lente su questa scala più raffinata consentirà agli scienziati di colmare più lacune nella nostra comprensione della materia oscura.
La missione misurerà le posizioni e le quantità sia della materia normale che della materia oscura in centinaia di milioni di galassie. Nel corso della storia cosmica, la materia oscura ha guidato il modo in cui le stelle e le galassie si sono formate ed evolute. Se la materia oscura è costituita da pesante, particelle lente, si raggrupperebbe facilmente e WFIRST dovrebbe vedere la formazione di galassie all'inizio della storia cosmica. Se la materia oscura è costituita da più chiaro, particelle che si muovono più velocemente, dovrebbe volerci più tempo per stabilirsi in gruppi e per lo sviluppo di strutture su larga scala.
Gli studi sulle lenti gravitazionali di WFIRST ci permetteranno di guardare indietro nel tempo per tracciare come le galassie e gli ammassi di galassie si sono formati sotto l'influenza della materia oscura. Se gli astronomi possono restringere i candidati per le particelle di materia oscura, saremo un passo più vicini a rilevarli finalmente direttamente negli esperimenti sulla Terra.
