Una rappresentazione del gas idrogeno all'interno del mezzo intergalattico, o IGM, con aree luminose che indicano un'elevata densità di gas. Attestazione:Vid Iršič
La materia oscura è il materiale invisibile giustamente chiamato che costituisce la maggior parte della materia nel nostro universo. Ma di cosa sia fatta la materia oscura è materia di dibattito.
Gli scienziati non hanno mai rilevato direttamente la materia oscura. Ma nel corso di decenni, hanno proposto una varietà di teorie su quale tipo di materiale, dalle nuove particelle ai buchi neri primordiali, potrebbe comprendere la materia oscura e spiegare i suoi numerosi effetti sulla materia normale. In un articolo pubblicato il 20 luglio sulla rivista Lettere di revisione fisica , un team internazionale di cosmologi utilizza i dati del mezzo intergalattico:il vasto, spazio in gran parte vuoto tra le galassie, per restringere ciò che potrebbe essere la materia oscura.
Le scoperte del team mettono in dubbio una teoria relativamente nuova chiamata "materia oscura sfocata, " e invece danno credito a un modello diverso chiamato "materia oscura fredda". soprattutto se i ricercatori hanno un'idea chiara del tipo di proprietà che dovrebbero cercare.
"Per decenni, i fisici teorici hanno cercato di comprendere le proprietà delle particelle e le forze che devono costituire la materia oscura, " ha detto l'autore principale Vid Iršič, un ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Astronomia dell'Università di Washington. "Quello che abbiamo fatto è porre dei vincoli su cosa potrebbe essere la materia oscura—e 'materia oscura sfocata, ' se dovesse costituire tutta la materia oscura, non è coerente con i nostri dati."
Gli scienziati avevano elaborato sia la teoria della materia oscura "fuzzy" che quella "fredda" per spiegare gli effetti che la materia oscura sembra avere sulle galassie e sul mezzo intergalattico tra di loro.
La materia oscura fredda è la più vecchia di queste due teorie, risalente agli anni '80, ed è attualmente il modello standard per la materia oscura. Essa postula che la materia oscura sia costituita da una massa relativamente massiccia, tipo di particella a movimento lento con proprietà di "interazione debolmente". Aiuta a spiegare l'unicità, struttura su larga scala dell'universo, come il motivo per cui le galassie tendono a raggrupparsi in gruppi più grandi.
Ma la teoria della materia oscura fredda presenta anche alcuni inconvenienti e incongruenze. Per esempio, prevede che la nostra Via Lattea dovrebbe avere centinaia di galassie satellite nelle vicinanze. Anziché, abbiamo solo poche decine di piccoli, vicini vicini.
Queste immagini raffigurano l'assorbimento della luce da parte del gas idrogeno all'interno dell'IGM, con aree luminose che indicano un'elevata densità di gas. Le curve mostrano anche l'assorbimento di idrogeno. A sinistra c'è una simulazione basata sul modello standard della materia oscura fredda. Sulla destra c'è una simulazione basata sulla materia oscura sfocata. La curva di sinistra è più coerente con i dati analizzati da Iršič e colleghi. Attestazione:Vid Iršič
La nuova teoria della materia oscura sfocata ha affrontato le carenze del modello della materia oscura fredda. Secondo questa teoria, la materia oscura è costituita da una particella ultraleggera, piuttosto che pesante, e ha anche una caratteristica unica relativa alla meccanica quantistica. Per molte delle particelle fondamentali del nostro universo, i loro movimenti su larga scala - distanze di viaggio di metri, miglia e oltre, può essere spiegato usando i principi della fisica newtoniana "classica". Spiegare i movimenti su piccola scala, come a livello subatomico, richiede i complessi e spesso contraddittori principi della meccanica quantistica. Ma per la particella ultraleggera prevista nella teoria della materia oscura sfocata, anche i movimenti su scale incredibilmente grandi, come da un'estremità all'altra di una galassia, richiedono la meccanica quantistica.
Con queste due teorie sulla materia oscura in mente, Iršič e i suoi colleghi hanno deciso di modellare le ipotetiche proprietà della materia oscura sulla base di osservazioni relativamente nuove del mezzo intergalattico, o IGM. L'IGM consiste in gran parte di materia oscura, qualunque essa sia, insieme a gas idrogeno e una piccola quantità di elio. L'idrogeno all'interno di IGM assorbe la luce emessa da lontano, oggetti luminosi, e gli astronomi hanno studiato questo assorbimento per decenni utilizzando strumenti basati sulla Terra.
Il team ha esaminato come l'IGM ha interagito con la luce emessa dai quasar, che sono lontani, massiccio, oggetti simili a stelle. Una serie di dati proviene da un'indagine su 100 quasar condotta dall'Osservatorio europeo meridionale in Cile. Il team ha incluso anche osservazioni di 25 quasar da parte dell'Osservatorio Las Campanas in Cile e del W.M. Osservatorio Keck alle Hawaii.
Usando un supercomputer all'Università di Cambridge, Iršič e i coautori hanno simulato l'IGM e hanno calcolato quale tipo di particella di materia oscura sarebbe coerente con i dati del quasar. Hanno scoperto che una tipica particella prevista dalla teoria della materia oscura sfocata è semplicemente troppo leggera per spiegare i modelli di assorbimento dell'idrogeno nell'IGM. Una particella più pesante, simile alle previsioni della tradizionale teoria della materia oscura fredda, è più coerente con le loro simulazioni.
"La massa di questa particella deve essere maggiore di quanto le persone si aspettassero inizialmente, basato sulle soluzioni sfocate della materia oscura per i problemi che circondano la nostra galassia e altri, " disse Irsic.
Una particella "sfocata" ultraleggera potrebbe ancora esistere. Ma non può spiegare perché si formano ammassi galattici, o altre domande come la scarsità di galassie satellite intorno alla Via Lattea, disse Iršič. Una particella "fredda" più pesante rimane coerente con le osservazioni astronomiche e le simulazioni dell'IGM, Ha aggiunto.
I risultati del team non affrontano tutti gli svantaggi di vecchia data del modello della materia oscura fredda. Ma Iršič crede che un'ulteriore estrazione di dati dall'IGM possa aiutare a risolvere il tipo (o i tipi) di particelle che compongono la materia oscura. Inoltre, alcuni scienziati ritengono che non ci siano problemi con la teoria della materia oscura fredda. Anziché, gli scienziati potrebbero semplicemente non comprendere le complesse forze all'opera nell'IGM, Iršič ha aggiunto.
"In entrambi i casi, l'IGM rimane un terreno ricco per comprendere la materia oscura, " disse Irsic.
Coautori del paper sono Matteo Viel della International School for Advanced Studies in Italy, l'Osservatorio Astronomico di Trieste e l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italia; Martin Haehnelt dell'Università di Cambridge; James Bolton dell'Università di Nottingham; e George Becker dell'Università della California, Lungofiume. Il lavoro è stato finanziato dalla National Science Foundation, l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italia, il Consiglio europeo della ricerca, l'Istituto Nazionale di Astrofisica in Italia, la Royal Society nel Regno Unito e la Fondazione Kavli.
