Una ricerca dell'Università della Pennsylvania potrebbe far luce sulla distribuzione di una delle sostanze più misteriose dell'universo.

Negli anni '70, gli scienziati hanno notato qualcosa di strano nel movimento delle galassie. Tutta la materia ai margini delle galassie a spirale ruotava alla stessa velocità del materiale nella parte interna della galassia. Ma secondo le leggi di gravità, gli oggetti in periferia dovrebbero muoversi più lentamente.

La spiegazione:una forma di materia chiamata materia oscura che non interagisce direttamente con la luce.

Molti scienziati ora credono che più dell'80% della materia dell'universo sia rinchiusa in misteriosi, non ancora individuato, particelle di materia oscura, che influenzano tutto, dal modo in cui gli oggetti si muovono all'interno di una galassia al modo in cui le galassie e gli ammassi di galassie si raggruppano insieme in primo luogo.

Questa materia oscura si estende ben oltre la portata delle stelle più lontane della galassia, formando quello che gli scienziati chiamano un alone di materia oscura. Mentre le stelle all'interno della galassia ruotano tutte in modo ordinato, disco organizzato, queste particelle di materia oscura sono come uno sciame di api, muovendosi caoticamente in direzioni casuali, che li mantiene gonfi per bilanciare la forza di gravità verso l'interno.

Bhuvnesh Jain, un professore di fisica alla Penn's School of Arts &Sciences, e il postdoc Eric Baxter stanno conducendo ricerche che potrebbero fornire nuove informazioni sulla struttura di questi aloni.

I ricercatori hanno voluto indagare se questi aloni di materia oscura hanno un bordo o un confine.

"La gente ha generalmente immaginato una transizione piuttosto graduale dalla materia legata alla galassia alla materia tra le galassie, che è anche attratto gravitazionalmente dalle galassie e dagli ammassi, " disse Jain. "Ma in teoria, utilizzando simulazioni al computer alcuni anni fa, ricercatori dell'Università di Chicago hanno dimostrato che per gli ammassi di galassie ci si aspetta un confine netto, fornendo una transizione distinta che dovremmo essere in grado di vedere attraverso un'attenta analisi dei dati".

Gli scienziati ritengono che questa regione, o "bordo" è dovuto all'"effetto splashback".

"Hai questo grande alone di materia oscura seduto lì, "Baxter ha detto "e ha accresciuto la materia gravitazionalmente per tutta la sua storia. Mentre quella materia viene trascinata dentro, diventa sempre più veloce. Quando finalmente cade nell'alone, si gira e inizia a orbitare. Questa svolta è ciò che le persone hanno iniziato a chiamare splashback, perché in un certo senso le cose stanno tornando indietro".

Mentre la questione "ripiomba, " rallenta. Poiché questo effetto sta accadendo in molte direzioni diverse, porta ad un accumulo di materia proprio sul bordo dell'alone e ad una forte diminuzione della quantità di materia proprio al di fuori di quella posizione. Questo è ciò che i ricercatori della Penn hanno esplorato nei dati.

Utilizzando un rilevamento della galassia chiamato Sloan Digital Sky Survey, o SDSS, Baxter e Jain hanno esaminato la distribuzione delle galassie attorno agli ammassi. Hanno formato un team di esperti presso l'Università di Chicago e altre istituzioni in tutto il mondo per esaminare migliaia di ammassi di galassie. Utilizzando strumenti statistici per fare un'analisi congiunta di diversi milioni di galassie intorno a loro, trovarono una goccia all'estremità dell'ammasso. Baxter e il collaboratore Chihway Chang dell'Università di Chicago hanno condotto un documento che riportava i risultati, accettato per la pubblicazione in Giornale Astrofisico .

Oltre a vedere questo limite quando hanno esaminato la distribuzione delle galassie, i ricercatori ne hanno anche visto prove sotto forma di colori della galassia.

Quando una galassia è piena di gas e ne forma molti grandi, stelle calde, il calore lo fa apparire blu quando gli scienziati lo fotografano.

"Ma quelle grandi stelle vivono vite molto brevi, " Baxter ha detto. "Fanno esplodere. Quello che ti rimane sono questi più piccoli, stelle più vecchie che vivono per lunghi periodi di tempo, e quelli sono rossi."

Quando gli scienziati osservano le galassie all'interno degli ammassi, appaiono rosse perché non stanno formando stelle.

"Studi precedenti hanno dimostrato che ci sono interazioni all'interno dell'ammasso che possono far sì che le galassie smettano di formare stelle, " disse Baxter. "Potresti immaginare per esempio che una galassia cada in un ammasso, e il gas della galassia viene rimosso dal gas all'interno dell'ammasso. Dopo aver perso il suo gas, la galassia non sarà in grado di formare molte stelle."

A causa di ciò, gli scienziati si aspettano che le galassie che hanno trascorso più tempo in orbita attorno a un ammasso appariranno rosse, mentre le galassie che stanno appena iniziando a cadere appariranno blu.

I ricercatori hanno notato un improvviso cambiamento nei colori delle galassie proprio al confine, fornendo loro maggiori prove che gli aloni di materia oscura hanno un vantaggio.

"È stato davvero interessante e sorprendente vedere questo netto cambiamento di colori, "Jain ha detto, "perché il cambiamento dei colori delle galassie è un processo molto lento e complesso."

I ricercatori stanno lavorando a un altro documento utilizzando un'indagine più approfondita su oltre cento milioni di galassie chiamata Dark Energy Survey, o DES.

Sia l'SDSS che il DES realizzano enormi mappe del cielo utilizzando un'enorme fotocamera che, secondo Jain, non è molto diversa dalle fotocamere degli smartphone, ma è più grande e precisa e la costruzione costa milioni di dollari.

Nel DES, quando la fotocamera si apre, ci vuole un'esposizione di un paio di minuti, e poi si sposta in un'altra parte del cielo. Questo processo viene ripetuto nel corso di diversi anni utilizzando diversi filtri per consentire agli scienziati di ottenere un sondaggio in più colori.

Il DES consente ai ricercatori di effettuare misurazioni estese, spingendo a distanze maggiori.

Invece di misurare la distribuzione delle galassie, i ricercatori stanno usando un fenomeno astrofisico chiamato lente gravitazionale per sondare gli aloni della materia oscura. Nella lente gravitazionale, la luce che arriva a un osservatore si piega quando la materia esercita su di essa una forza gravitazionale.

I ricercatori possono analizzare le immagini del cielo per vedere come gli ammassi allungano le immagini delle galassie dietro di loro.

"La luce si piegherà se c'è massa, " Ha detto Baxter. "Misurando queste deviazioni possiamo misurare direttamente la massa che è fredda perché la maggior parte della massa è materia oscura che non possiamo vedere, quindi è un modo unico per sondare la materia oscura".

In termini di comprensione fondamentale dell'universo, Baxter ha detto, la materia oscura è uno dei più grandi misteri che ci siano in questo momento.

"Guardi nel cielo, anche con i più grandi telescopi ottici, e non vedi altro che la luce delle galassie, " ha detto Jain. "C'è solo questa materia oscura."

I ricercatori sperano che la loro ricerca contribuirà a una migliore comprensione della misteriosa sostanza che costituisce circa l'80% della materia nell'universo. Se possono segnare il bordo di un alone di materia oscura, consentirebbe loro di testare cose come la teoria della gravità di Einstein e la natura della materia oscura.

"È solo un nuovo modo di vedere i cluster, " ha detto Jain. "Una volta trovato il confine, puoi studiare sia la fisica standard di come le galassie interagiscono con l'ammasso sia la possibile fisica sconosciuta di quale sia la natura della materia oscura e della gravità".