La forza gravitazionale nell'Universo sotto la quale si è evoluta da uno stato quasi uniforme al Big Bang fino ad ora, quando la materia è concentrata nelle galassie, stelle e pianeti, è fornita da quella che viene definita "materia oscura". non sappiamo quasi nulla della sua natura, comportamento e composizione, che è uno dei problemi fondamentali della fisica moderna. In un recente articolo in Lettere di astronomia e astrofisica , scienziati dell'Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC)/Università di La Laguna (ULL) e dell'Università Nazionale del Nord-Ovest della Provincia di Buenos Aires (Junín, Argentina) hanno dimostrato che la materia oscura nelle galassie segue una distribuzione di "massima entropia", che ne illumina la natura.

La materia oscura costituisce l'85% della materia dell'Universo, ma la sua esistenza si manifesta solo su scale astronomiche. Vale a dire, a causa della sua debole interazione, l'effetto netto si nota solo quando è presente in grandi quantità. Poiché si raffredda solo con difficoltà, le strutture che forma sono generalmente molto più grandi dei pianeti e delle stelle. Poiché la presenza di materia oscura si manifesta solo su larga scala, la scoperta della sua natura deve probabilmente essere fatta da studi astrofisici.

Entropia massima

Dire che la distribuzione della materia oscura è organizzata secondo la massima entropia (che equivale a 'massimo disordine' o 'equilibrio termodinamico') significa che si trova nel suo stato più probabile. Per raggiungere questo 'massimo disordine' la materia oscura deve aver dovuto scontrarsi con se stessa, proprio come fanno le molecole di gas, in modo da raggiungere l'equilibrio in cui la sua densità, pressione, e la temperatura sono correlati. Però, non sappiamo come la materia oscura abbia raggiunto questo tipo di equilibrio.

"A differenza delle molecole nell'aria, Per esempio, perché l'azione gravitazionale è debole, le particelle di materia oscura difficilmente dovrebbero scontrarsi tra loro, così che il meccanismo con cui raggiungono l'equilibrio è un mistero, " dice Jorge Sánchez Almeida, un ricercatore IAC che è il primo autore dell'articolo. "Tuttavia, se si scontrassero l'uno con l'altro, questo darebbe loro una natura molto speciale, che risolverebbe in parte il mistero della loro origine, " Aggiunge.

La massima entropia della materia oscura è stata rilevata nelle galassie nane, che hanno un rapporto più elevato tra materia oscura e materia totale rispetto a galassie più massicce, quindi è più facile vedere l'effetto in loro. Però, i ricercatori si aspettano che sia un comportamento generale in tutti i tipi di galassie.

Lo studio implica che la distribuzione della materia in equilibrio termodinamico ha una densità centrale molto più bassa che gli astronomi hanno ipotizzato per molte applicazioni pratiche, come nella corretta interpretazione delle lenti gravitazionali, o quando si progettano esperimenti per rilevare la materia oscura mediante la sua auto-annientamento.

Questa densità centrale è fondamentale per la corretta interpretazione della curvatura della luce da parte delle lenti gravitazionali:se è meno densa l'effetto della lente è minore. Per utilizzare una lente gravitazionale per misurare la massa di una galassia è necessario un modello, se questo modello viene cambiato, la misura cambia.

La densità centrale è anche molto importante per gli esperimenti che cercano di rilevare la materia oscura usando la sua auto annientamento. Due particelle di materia oscura potrebbero interagire e scomparire in un processo altamente improbabile, ma che sarebbe caratteristico della loro natura. Perché due particelle possano interagire devono collidere. La probabilità di questa collisione dipende dalla densità della materia oscura; maggiore è la concentrazione di materia oscura, maggiore è la probabilità che le particelle si scontrino.

"Per tale motivo, se la densità cambia così sarà il tasso di produzione atteso degli autoannichilimenti, e dato che gli esperimenti sono progettati sulla previsione di una data velocità, se questo tasso fosse molto basso è improbabile che l'esperimento dia un risultato positivo, "dice Sanchez Almeida.

Finalmente, l'equilibrio termodinamico per la materia oscura potrebbe anche spiegare il profilo di luminosità delle galassie. Questa luminosità diminuisce con la distanza dal centro di una galassia in un modo specifico, la cui origine fisica è sconosciuta, ma per il quale i ricercatori stanno lavorando per dimostrare che è il risultato di un equilibrio con la massima entropia.

Simulazione contro osservazione

La densità della materia oscura nei centri delle galassie è stata un mistero per decenni. Esiste una forte discrepanza tra le previsioni delle simulazioni (un'alta densità) e quanto osservato (un valore basso). Gli astronomi hanno proposto molti tipi di meccanismi per risolvere questo importante disaccordo.

In questo articolo, i ricercatori hanno dimostrato, usando i principi fisici di base, che le osservazioni possono essere riprodotte assumendo che la materia oscura sia in equilibrio, cioè., che ha la massima entropia. Le conseguenze di questo risultato potrebbero essere molto importanti perché indicano che la materia oscura ha scambiato energia con se stessa e/o con la restante materia 'normale' (barionica).

"Il fatto che l'equilibrio sia stato raggiunto in così poco tempo, rispetto all'età dell'Universo, potrebbe essere il risultato di un tipo di interazione tra materia oscura e materia normale oltre alla gravità, " suggerisce Ignacio Trujillo, un ricercatore IAC e coautore di questo articolo. "L'esatta natura di questo meccanismo deve essere esplorata, ma le conseguenze potrebbero essere affascinanti per capire proprio cos'è questo componente che domina la quantità totale di materia nell'Universo."