I ricercatori hanno incanalato la prima luce dell'universo, una reliquia della formazione dell'universo nota come fondo cosmico a microonde (CMB), per risolvere un mistero sulla materia mancante e apprendere nuove cose sulla formazione delle galassie. Il loro lavoro potrebbe anche aiutarci a comprendere meglio l'energia oscura e testare la teoria della relatività generale di Einstein, fornendo nuovi dettagli sulla velocità con cui le galassie si muovono verso di noi o si allontanano da noi.

La materia oscura invisibile e l'energia oscura rappresentano circa il 95% della massa e dell'energia totali dell'universo, e anche la maggior parte del 5% che è considerata materia ordinaria è in gran parte invisibile, come i gas alla periferia delle galassie che compongono i loro cosiddetti aloni.

La maggior parte di questa materia ordinaria è costituita da neutroni e protoni, particelle chiamate barioni che esistono nei nuclei di atomi come l'idrogeno e l'elio. Solo il 10% circa della materia barionica è sotto forma di stelle, e la maggior parte del resto abita lo spazio tra le galassie in filamenti di caldo, materia diffusa nota come mezzo intergalattico caldo-caldo, o capriccio.

Perché i barioni sono così sparsi nello spazio, è stato difficile per gli scienziati ottenere un'immagine chiara della loro posizione e densità intorno alle galassie. A causa di questo quadro incompleto di dove risiede la materia ordinaria, la maggior parte dei barioni dell'universo può essere considerata "scomparsa".

Ora, un team internazionale di ricercatori, con i contributi chiave dei fisici del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e della Cornell University del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, ha mappato la posizione di questi barioni mancanti fornendo le migliori misurazioni, ad oggi, della loro posizione e densità attorno a gruppi di galassie.

Si scopre che i barioni sono in aloni galattici, dopotutto, e che questi aloni si estendono molto più lontano di quanto previsto dai modelli popolari. Mentre la maggior parte delle stelle di una singola galassia è tipicamente contenuta all'interno di una regione che è di circa 100, 000 anni luce dal centro della galassia, queste misurazioni mostrano che per un dato gruppo di galassie, i barioni più distanti possono estendersi per circa 6 milioni di anni luce dal loro centro.

Paradossalmente, questa materia mancante è ancora più difficile da mappare della materia oscura, che possiamo osservare indirettamente attraverso i suoi effetti gravitazionali sulla materia normale. La materia oscura è la sostanza sconosciuta che costituisce circa il 27% dell'universo; ed energia oscura, che sta allontanando la materia nell'universo a un ritmo accelerato, costituisce circa il 68% dell'universo.

"Solo una piccola percentuale della materia ordinaria è sotto forma di stelle. La maggior parte è sotto forma di gas che è generalmente troppo debole, troppo diffuso per essere in grado di rilevare, " disse Emmanuel Schaan, Chamberlain Postdoctoral Fellow nella divisione di fisica del Berkeley Lab e autore principale di uno dei due articoli sui barioni mancanti, pubblicato il 15 marzo sulla rivista Revisione fisica D .

I ricercatori hanno utilizzato un processo noto come effetto Sunyaev-Zel'dovich che spiega come gli elettroni CMB ottengono un aumento di energia tramite un processo di dispersione mentre interagiscono con i gas caldi che circondano gli ammassi di galassie.

"Questa è una grande opportunità per guardare oltre le posizioni delle galassie e le velocità delle galassie, " ha detto Simone Ferraro, un Divisional Fellow nella divisione di fisica del Berkeley Lab che ha partecipato a entrambi gli studi. "Le nostre misurazioni contengono molte informazioni cosmologiche su quanto velocemente si muovono queste galassie. Completerà le misurazioni effettuate da altri osservatori, e renderli ancora più potenti, " Egli ha detto.

Un team di ricercatori della Cornell University, composto dall'associata di ricerca Stefania Amodeo, assistente professore. Professor Nicola Battaglia, e la studentessa universitaria Emily Moser, ha guidato la modellazione e l'interpretazione delle misurazioni, ed ha esplorato le loro conseguenze per la lente gravitazionale debole e la formazione di galassie.

Gli algoritmi informatici sviluppati dai ricercatori dovrebbero rivelarsi utili nell'analizzare i dati di "lente debole" da futuri esperimenti con alta precisione. I fenomeni di lente si verificano quando oggetti massicci come galassie e ammassi di galassie sono approssimativamente allineati in una particolare linea del sito in modo che le distorsioni gravitazionali effettivamente pieghino e distorcano la luce dall'oggetto più distante.

La lente debole è una delle principali tecniche che gli scienziati usano per comprendere l'origine e l'evoluzione dell'universo, compreso lo studio della materia oscura e dell'energia oscura. Imparare la posizione e la distribuzione della materia barionica rende questi dati a portata di mano.

"Queste misurazioni hanno profonde implicazioni per le lenti deboli, e ci aspettiamo che questa tecnica sia molto efficace nel calibrare futuri sondaggi con lentezza debole, " ha detto Ferraro.

Schaan ha notato, "Otteniamo anche informazioni rilevanti per la formazione delle galassie".

Negli ultimi studi, i ricercatori si sono basati su un set di dati sulle galassie del Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) a terra nel New Mexico, e dati CMB dall'Atacama Cosmology Telescope (ACT) in Cile e dal telescopio spaziale Planck dell'Agenzia spaziale europea. Berkeley Lab played a leading role in the BOSS mapping effort, and developed the computational architectures necessary for Planck data-processing at NERSC.

The algorithms they created benefit from analysis using the Cori supercomputer at Berkeley Lab's DOE-funded National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). The algorithms counted electrons, allowing them to ignore the chemical composition of the gases.

"È come una filigrana su una banconota, " Schaan explained. "If you put it in front of a backlight then the watermark appears as a shadow. For us the backlight is the cosmic microwave background. Serve per illuminare il gas da dietro, così possiamo vedere l'ombra mentre la luce CMB viaggia attraverso quel gas".

Ferraro said, "It's the first really high-significance measurement that really pins down where the gas was."

The new picture of galaxy halos provided by the "ThumbStack" software that researchers created:massive, fuzzy spherical areas extending far beyond the starlit regions. This software is effective at mapping those halos even for groups of galaxies that have low-mass halos and for those that are moving away from us very quickly (known as "high-redshift" galaxies).

New experiments that should benefit from the halo-mapping tool include the Dark Energy Spectroscopic Instrument, the Vera Rubin Observatory, the Nancy Grace Roman Space Telescope, and the Euclid space telescope.