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    Hubble rileva i più piccoli gruppi di materia oscura conosciuti

    Questo grafico illustra come la luce di un quasar lontano sia alterata da un'enorme galassia in primo piano e da minuscoli ammassi di materia oscura lungo il percorso della luce. La potente gravità della galassia deforma e ingrandisce la luce del quasar, producendo quattro immagini distorte del quasar. I gruppi di materia oscura risiedono lungo la linea di vista del telescopio spaziale Hubble verso il quasar, così come all'interno e intorno alla galassia in primo piano. La presenza dei grumi di materia oscura altera la luminosità apparente e la posizione di ogni immagine distorta di quasar deformando e piegando leggermente la luce mentre viaggia dal lontano quasar alla Terra, come rappresentato dalle linee sinuose nel grafico. Gli astronomi hanno confrontato queste misurazioni con le previsioni di come sarebbero apparse le immagini dei quasar senza l'influenza dei grumi di materia oscura. I ricercatori hanno utilizzato queste misurazioni per calcolare le masse delle minuscole concentrazioni di materia oscura. La materia oscura è una sostanza invisibile che costituisce la maggior parte della massa dell'universo e crea l'impalcatura su cui sono costruite le galassie. Le immagini quadruple di un quasar sono rare perché il quasar di sfondo e la galassia in primo piano richiedono un allineamento quasi perfetto. Credito:NASA, ESA, e D. Player (STScI)

    Quando si cerca la materia oscura, gli astronomi devono intraprendere una sorta di "caccia ai fantasmi". Questo perché la materia oscura è una sostanza invisibile che non può essere vista direttamente. Eppure costituisce la maggior parte della massa dell'universo e forma l'impalcatura su cui sono costruite le galassie. La materia oscura è la "colla" gravitazionale che tiene insieme le galassie e gli ammassi di galassie. Gli astronomi possono rilevare la sua presenza indirettamente misurando come la sua gravità influenza le stelle e le galassie.

    La sostanza misteriosa non è composta dalla stessa sostanza che compone le stelle, pianeti, e persone. Quel materiale è normale materia "barionica", costituito da elettroni, protoni, e neutroni. Però, la materia oscura potrebbe essere una sorta di particella subatomica sconosciuta che interagisce debolmente con la materia normale.

    Una teoria popolare sostiene che le particelle di materia oscura non si muovano molto velocemente, che li rende più facili da raggruppare insieme. Secondo questa idea, l'universo contiene un'ampia gamma di concentrazioni di materia oscura, da piccolo a grande.

    Gli astronomi hanno rilevato ammassi di materia oscura attorno a galassie di grandi e medie dimensioni. Ora, utilizzando Hubble e una nuova tecnica di osservazione, gli astronomi hanno scoperto che la materia oscura forma grumi molto più piccoli di quanto precedentemente noto.

    I ricercatori hanno cercato piccole concentrazioni di materia oscura nei dati di Hubble misurando come viene influenzata la luce proveniente da quasar lontani mentre viaggia nello spazio. I quasar sono i nuclei luminosi alimentati da un buco nero di galassie molto lontane. Le immagini di Hubble mostrano che la luce di queste immagini di quasar è deformata e ingrandita dalla gravità delle enormi galassie in primo piano in un effetto chiamato lente gravitazionale. Gli astronomi hanno usato questo effetto di lente per rilevare i piccoli grumi di materia oscura. I gruppi si trovano lungo la linea di vista del telescopio verso i quasar, così come dentro e intorno alle galassie lente in primo piano.

    Ognuna di queste istantanee del telescopio spaziale Hubble rivela quattro immagini distorte di un quasar sullo sfondo e della sua galassia ospite che circonda il nucleo centrale di una galassia massiccia in primo piano. La gravità della massiccia galassia in primo piano agisce come una lente d'ingrandimento deformando la luce del quasar in un effetto chiamato lente gravitazionale. I quasar sono lampioni cosmici estremamente distanti prodotti da buchi neri attivi. Tali immagini quadruple di quasar sono rare a causa dell'allineamento quasi esatto necessario tra la galassia in primo piano e il quasar di sfondo. Gli astronomi hanno utilizzato l'effetto della lente gravitazionale per rilevare i più piccoli grumi di materia oscura mai trovati. I gruppi si trovano lungo la linea di vista del telescopio verso i quasar, così come dentro e intorno alle galassie lente in primo piano. La presenza delle concentrazioni di materia oscura altera la luminosità apparente e la posizione di ogni immagine distorta di quasar. Gli astronomi hanno confrontato queste misurazioni con le previsioni di come sarebbero apparse le immagini dei quasar senza l'influenza dei grumi di materia oscura. I ricercatori hanno utilizzato queste misurazioni per calcolare le masse delle minuscole concentrazioni di materia oscura. La Wide Field Camera 3 di Hubble ha catturato la luce del vicino infrarosso da ciascun quasar e l'ha dispersa nei suoi colori componenti per studiarla con la spettroscopia. Le immagini sono state scattate tra il 2015 e il 2018. Credit:NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) e T. Treu (UCLA)

    Utilizzando il telescopio spaziale Hubble della NASA e una nuova tecnica di osservazione, gli astronomi hanno scoperto che la materia oscura forma grumi molto più piccoli di quanto precedentemente noto. Questo risultato conferma una delle previsioni fondamentali della teoria della "materia oscura fredda" ampiamente accettata.

    tutte le galassie, secondo questa teoria, formano e sono incorporati all'interno di nuvole di materia oscura. La stessa materia oscura è costituita da movimenti lenti, o "freddo, " particelle che si uniscono per formare strutture che vanno da centinaia di migliaia di volte la massa della galassia della Via Lattea a gruppi non più massicci del peso di un aereo commerciale. (In questo contesto, "freddo" si riferisce alla velocità delle particelle.)

    L'osservazione di Hubble fornisce nuove intuizioni sulla natura della materia oscura e su come si comporta. "Abbiamo fatto un test osservazionale molto avvincente per il modello della materia oscura fredda e passa a pieni voti, " ha detto Tommaso Treu dell'Università della California, Los Angeles (UCLA), un membro del gruppo di osservazione.

    La materia oscura è una forma invisibile di materia che costituisce la maggior parte della massa dell'universo e crea l'impalcatura su cui sono costruite le galassie. Sebbene gli astronomi non possano vedere la materia oscura, possono rilevare indirettamente la sua presenza misurando come la sua gravità influenza le stelle e le galassie. Rilevare le più piccole formazioni di materia oscura cercando stelle incorporate può essere difficile o impossibile, perché contengono pochissime stelle.

    Sebbene siano state rilevate concentrazioni di materia oscura intorno a galassie di grandi e medie dimensioni, fino ad ora non sono stati trovati grumi molto più piccoli di materia oscura. In assenza di prove osservative per tali grumi su piccola scala, alcuni ricercatori hanno sviluppato teorie alternative, inclusa la "materia oscura calda". Questa idea suggerisce che le particelle di materia oscura si muovono velocemente, sfrecciare troppo velocemente per fondersi e formare concentrazioni più piccole. Le nuove osservazioni non supportano questo scenario, scoprire che la materia oscura è "più fredda" di quanto dovrebbe essere nella teoria alternativa della materia oscura calda.

    "La materia oscura è più fredda di quanto sapessimo su scale più piccole, " ha detto Anna Nierenberg del Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California, leader del sondaggio Hubble. "Gli astronomi hanno già effettuato altri test osservativi sulle teorie della materia oscura, ma la nostra fornisce la prova più forte finora per la presenza di piccoli grumi di materia oscura fredda. Combinando le ultime previsioni teoriche, strumenti statistici, e nuove osservazioni di Hubble, ora abbiamo un risultato molto più solido di quanto fosse possibile in precedenza."

    La ricerca di concentrazioni di materia oscura prive di stelle si è rivelata impegnativa. Il team di ricerca di Hubble, però, usarono una tecnica in cui non avevano bisogno di cercare l'influenza gravitazionale delle stelle come traccianti della materia oscura. Il team ha preso di mira otto "lampioni stradali" cosmici potenti e distanti, " chiamate quasar (regioni attorno a buchi neri attivi che emettono enormi quantità di luce). Gli astronomi hanno misurato come la luce emessa dall'ossigeno e dal gas al neon in orbita attorno a ciascuno dei buchi neri dei quasar viene deformata dalla gravità di un'enorme galassia in primo piano, che funge da lente di ingrandimento.

    Usando questo metodo, il team ha scoperto ammassi di materia oscura lungo la linea di vista del telescopio verso i quasar, così come dentro e intorno alle galassie lente intermedie. Le concentrazioni di materia oscura rilevate da Hubble sono 1/10, 000esimo a 1/100, 000 volte la massa dell'alone di materia oscura della Via Lattea. Molti di questi minuscoli raggruppamenti molto probabilmente non contengono nemmeno piccole galassie, e quindi sarebbe stato impossibile da rilevare con il metodo tradizionale di ricerca delle stelle incastonate.

    Gli otto quasar e le galassie erano allineati in modo così preciso che l'effetto di deformazione, chiamato lente gravitazionale, prodotto quattro immagini distorte di ciascun quasar. L'effetto è come guardare uno specchio da luna park. Tali immagini quadruple di quasar sono rare a causa dell'allineamento quasi esatto necessario tra la galassia in primo piano e il quasar di sfondo. Però, i ricercatori avevano bisogno delle immagini multiple per condurre un'analisi più dettagliata.

    La presenza dei grumi di materia oscura altera la luminosità apparente e la posizione di ogni immagine distorta di quasar. Gli astronomi hanno confrontato queste misurazioni con le previsioni di come sarebbero apparse le immagini dei quasar senza l'influenza della materia oscura. I ricercatori hanno utilizzato le misurazioni per calcolare le masse delle minuscole concentrazioni di materia oscura. Per analizzare i dati, i ricercatori hanno anche sviluppato elaborati programmi di calcolo e tecniche di ricostruzione intensive.

    "Immagina che ognuna di queste otto galassie sia una gigantesca lente d'ingrandimento, " ha spiegato il membro del team Daniel Gilman dell'UCLA. "Piccoli grumi di materia oscura agiscono come piccole crepe sulla lente d'ingrandimento, alterando la luminosità e la posizione delle quattro immagini quasar rispetto a quello che ci si aspetterebbe di vedere se il vetro fosse liscio."

    I ricercatori hanno utilizzato la Wide Field Camera 3 di Hubble per catturare la luce nel vicino infrarosso da ciascun quasar e disperderla nei suoi colori componenti per studiarla con la spettroscopia. Le emissioni uniche dei quasar di fondo si vedono meglio alla luce infrarossa. "Le osservazioni di Hubble dallo spazio ci consentono di effettuare queste misurazioni in sistemi di galassie che non sarebbero accessibili con la risoluzione inferiore dei telescopi terrestri e l'atmosfera terrestre è opaca alla luce infrarossa che dovevamo osservare, " ha spiegato il membro del team Simon Birrer dell'UCLA.

    Treu ha aggiunto:"È incredibile che dopo quasi 30 anni di attività, Hubble sta consentendo visioni all'avanguardia della fisica fondamentale e della natura dell'universo che non ci saremmo nemmeno sognati quando è stato lanciato il telescopio".

    Le lenti gravitazionali sono state scoperte setacciando sondaggi a terra come lo Sloan Digital Sky Survey e il Dark Energy Survey, che forniscono le mappe tridimensionali più dettagliate dell'universo mai realizzate. I quasar si trovano a circa 10 miliardi di anni luce dalla Terra; le galassie in primo piano, circa 2 miliardi di anni luce.

    Il numero di piccole strutture rilevate nello studio offre ulteriori indizi sulla natura della materia oscura. "Le proprietà delle particelle della materia oscura influenzano il numero di grumi che si formano, " Ha spiegato Nierenberg. "Ciò significa che puoi conoscere la fisica delle particelle della materia oscura contando il numero di piccoli grumi".

    Però, il tipo di particella che costituisce la materia oscura è ancora un mistero. "Attualmente, non ci sono prove dirette in laboratorio che esistano particelle di materia oscura, " ha detto Birrer. "I fisici delle particelle non parlerebbero nemmeno di materia oscura se i cosmologi non dicessero che è lì, sulla base delle osservazioni dei suoi effetti. Quando noi cosmologi parliamo di materia oscura, stiamo chiedendo, 'Come governa l'aspetto dell'universo, e su quale bilancia?'"

    Gli astronomi saranno in grado di condurre studi di follow-up sulla materia oscura utilizzando i futuri telescopi spaziali della NASA come il James Webb Space Telescope e il Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), entrambi gli osservatori a infrarossi. Webb sarà in grado di ottenere in modo efficiente queste misurazioni per tutti i quasar a lente quadrupla conosciuti. La nitidezza e l'ampio campo visivo di WFIRST aiuteranno gli astronomi a effettuare osservazioni dell'intera regione dello spazio interessata dall'immenso campo gravitazionale di galassie massicce e ammassi di galassie. Ciò aiuterà i ricercatori a scoprire molti altri di questi sistemi rari.

    Il team presenterà i suoi risultati al 235° meeting dell'American Astronomical Society a Honolulu, Hawaii.


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