Lente gravitazionale (archi e striature nella foto) nell'ammasso di galassie Abell 370. Credito:NASA/ESA
La galassia più lontana mai osservata è così lontana che la luce stellare che ora rileviamo è stata emessa meno di 500 milioni di anni dopo il Big Bang. Ci sono voluti circa 13 miliardi di anni per raggiungerci. Ma ci sono molte cose su una galassia che non possiamo vedere. Per esempio, pensiamo che le galassie siano immerse in giganteschi "alone" di una sostanza invisibile chiamata materia oscura. Gli scienziati in realtà non sanno cosa sia la materia oscura, ma sanno che esiste perché esercita un'attrazione gravitazionale sulla materia circostante.
Ora la nostra nuova ricerca, pubblicato in Astronomia della natura , presenta un modo in cui potremmo imparare come si sono evolute le galassie all'interno di questo strano, materia oscura per la maggior parte del tempo cosmico.
Che possiamo vedere la luce emessa 13 miliardi di anni fa può sembrare incredibile. Ma possiamo effettivamente vedere la luce emessa anche prima, prima che si formassero le galassie. Per alcune centinaia di millenni dopo la sua formazione, l'universo era un caldo pasticcio di particelle di luce (fotoni), protoni ed elettroni carichi elettricamente (plasma), così come la materia oscura. I fotoni sono stati intrappolati nel plasma:continuamente "dispersi" in direzioni casuali da interazioni quasi costanti con gli elettroni liberi.
Come cercare di attraversare un affollato, stanza movimentata, la lunghezza media del percorso di ciascun fotone era molto breve prima della sua successiva interazione. Questo ha reso l'universo opaco:se cercassi di guardare attraverso questo mezzo, sarebbe come guardare in un banco di nebbia.
Ma 380, 000 anni dopo il Big Bang, l'universo si era espanso e raffreddato a un punto in cui gli elettroni liberi potevano legarsi ai protoni per formare atomi di idrogeno. La dispersione cessò rapidamente, permettendo ai fotoni di fluire liberamente attraverso l'universo senza elettroni liberi nel modo.
Poiché questa transizione è avvenuta in tutto l'universo abbastanza rapidamente, dal nostro punto di vista è come se tutti questi fotoni venissero rilasciati all'improvviso dall'interno di un enorme guscio contenente il brodo opaco di particelle e materia oscura. Effettivamente, questo "guscio" è l'"oggetto" più lontano che possiamo vedere, a una distanza di 45 miliardi di anni luce. Gli scienziati la chiamano la superficie dell'ultima dispersione.
Viaggiando attraverso il cosmo, questi fotoni perdono energia mentre l'universo continua ad espandersi, allungando le loro lunghezze d'onda. E possiamo rilevarli nel fondo cosmico a microonde, o CMB, che è la radiazione rimasta dalla nascita dell'universo.
Lo sfondo cosmico a microonde visto da Planck. Credito:ESA e la collaborazione Planck
Una retroilluminazione cosmica
Studiamo il CMB ormai da decenni:molte informazioni sulle proprietà dell'universo primordiale sono codificate alla sua luce. Ma recentemente è stato possibile estrarne ancora più informazioni sfruttando il fatto che ogni fotone di questa radiazione ha dovuto viaggiare attraverso un universo pieno di materia.
La teoria della relatività generale di Einstein descrive la gravità come una distorsione dello spazio-tempo dovuta alla presenza di un oggetto con massa. Questa distorsione può deviare i percorsi dei fotoni che passano accanto all'oggetto, un fenomeno noto come lente gravitazionale. Quindi, osservando come la luce proveniente da una fonte di sfondo (come una galassia) viene deviata a causa di un oggetto davanti ad essa, possiamo elaborare le proprietà di quell'oggetto in primo piano.
La superficie dell'ultima dispersione agisce come una luce cosmica di fondo, splendente Tutti la materia nell'universo. Di conseguenza, i fotoni della CMB sono lenti gravitazionalmente dalla materia che si frappone tra la superficie e noi. La nostra visione della CMB è come la nostra visione di un paesaggio lontano visto attraverso il vetro di una finestra crivellato di sottili imperfezioni.
Sorprendentemente, ora possiamo mappare queste imperfezioni nel cielo, fornendoci un mezzo per "vedere" l'impronta gravitazionale di tutta la massa nell'universo osservabile. Questo ci sta dando un nuovo modo di studiare le galassie. Per esempio, possiamo misurare la quantità di lenti CMB in diverse direzioni e pesare le strutture cosmiche semplicemente osservando quanto hanno deviato la luce CMB. Questo è ciò che abbiamo appena fatto per gli oggetti più massicci dell'universo:gli ammassi di galassie.
Un nuovo modo di pesare
Gli ammassi di galassie non contengono solo galassie:lo spazio tra le galassie è riempito da un plasma caldo, e le galassie e il gas sono immersi nella materia oscura. Somma tutto e la massa totale supera i centomila miliardi di soli, creando grandi valli nello spazio-tempo.
Vista dell'universo dove l'altezza di un picco corrisponde alla quantità di massa presente. Credito:J. Geach (Università dell'Hertfordshire)
Gli scienziati sono da tempo alla ricerca di un metodo affidabile per tradurre il numero di galassie negli ammassi nella massa totale della materia oscura, gas e stelle. Possiamo usare nuove mappe di lente della CMB proprio per questo scopo. Le mappe delle lenti sono costruite esaminando le mappe delle fluttuazioni di temperatura del CMB. Nelle regioni in cui i fotoni CMB sono stati fortemente deviati, una sottile firma è impressa nella distribuzione della temperatura. Filtrare attentamente la mappa della temperatura rivela il modello di lente nel cielo.
Misurando la deflessione media dei fotoni CMB attorno agli ammassi, abbiamo mostrato come la quantità di deflessione – e quindi la massa totale presente, inclusa la materia oscura, dipende dal numero di galassie nell'ammasso. In effetti, stiamo vedendo l'impronta nello spazio-tempo dei massicci aloni di materia oscura.
Usando la lente gravitazionale per rivelare le distorsioni nello spazio-tempo intorno a galassie e ammassi, e quindi imparare qualcosa sulla loro distribuzione di massa, non è nuovo. Ma la maggior parte degli studi precedenti riguarda la lente della luce proveniente da Altro galassie di fondo, piuttosto che la CMB.
L'utilizzo della CMB come sorgente luminosa offre enormi vantaggi. Mentre la superficie dell'ultima dispersione si illumina Tutti oggetti davanti ad esso, possiamo esaminare la relazione tra le galassie luminose e le strutture di materia oscura che abitano più indietro nella storia cosmica di quanto sia stato possibile finora.
Non solo le strutture della materia oscura si sono costantemente evolute attraverso la gravità, sappiamo che le proprietà delle galassie – come la loro massa e i tassi di formazione stellare – dipendono fortemente dal loro ambiente su larga scala. Non abbiamo ancora compreso appieno quel collegamento, ma l'obiettivo CMB potrebbe in definitiva aiutarci a capire come succede.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.