La materia oscura è stata probabilmente l'ingrediente di partenza per la produzione delle primissime galassie nell'universo. Poco dopo il Big Bang, particelle di materia oscura si sarebbero ammassate in "aloni" gravitazionali, " tirando il gas circostante nei loro nuclei, che nel tempo si raffreddarono e si condensarono nelle prime galassie.

Sebbene la materia oscura sia considerata la spina dorsale della struttura dell'universo, gli scienziati sanno molto poco della sua natura, poiché le particelle hanno finora eluso il rilevamento.

Ora gli scienziati del MIT, Università di Princeton, e l'Università di Cambridge hanno scoperto che l'universo primordiale, e le primissime galassie, sarebbe apparso molto diverso a seconda della natura della materia oscura. Per la prima volta, il team ha simulato come sarebbe stata la formazione delle prime galassie se la materia oscura fosse "sfocata, "piuttosto che freddo o caldo.

Nello scenario più ampiamente accettato, la materia oscura è fredda, costituito da particelle a movimento lento che, a parte gli effetti gravitazionali, non hanno alcuna interazione con la materia ordinaria. Si pensa che la materia oscura calda sia una versione leggermente più leggera e veloce della materia oscura fredda. E la materia oscura sfocata, un concetto relativamente nuovo, è qualcosa di completamente diverso, costituito da particelle ultraleggere, ciascuno circa 1 ottalionesimo (10 ^-27 ) la massa di un elettrone (una particella di materia oscura fredda è molto più pesante, circa 105 volte più massiccia di un elettrone).

Nelle loro simulazioni, i ricercatori hanno scoperto che se la materia oscura è fredda, allora le galassie nell'universo primordiale si sarebbero formate in aloni quasi sferici. Ma se la natura della materia oscura è sfocata o calda, l'universo primordiale sarebbe apparso molto diverso, con le galassie che si formano prima in esteso, filamenti a forma di coda. In un universo sfocato, questi filamenti sarebbero apparsi striati, come le corde di un'arpa illuminate dalle stelle.

Con l'arrivo in linea di nuovi telescopi, con la capacità di vedere più indietro nell'universo primordiale, gli scienziati possono essere in grado di dedurre, dal modello di formazione delle galassie, se la natura della materia oscura, che oggi costituisce quasi l'85 per cento della materia nell'universo, è sfocato rispetto a freddo o caldo.

"Le prime galassie nell'universo primordiale potrebbero illuminare il tipo di materia oscura che abbiamo oggi, "dice Mark Vogelsberger, professore associato di fisica presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. "O vediamo questo schema di filamenti, e la materia oscura sfocata è plausibile, o non lo facciamo, e possiamo escludere quel modello. Ora abbiamo un progetto su come farlo".

Vogelsberger è coautore di un articolo apparso su Lettere di revisione fisica , insieme all'autore principale del giornale, Philip Mocz dell'Università di Princeton, e Anastasia Fialkov dell'Università di Cambridge e in precedenza dell'Università del Sussex.

Onde sfocate

Mentre la materia oscura deve ancora essere rilevata direttamente, l'ipotesi che descrive la materia oscura come fredda si è dimostrata efficace nel descrivere la struttura su larga scala dell'universo osservabile. Di conseguenza, i modelli di formazione delle galassie si basano sul presupposto che la materia oscura sia fredda.

"Il problema è, ci sono alcune discrepanze tra le osservazioni e le previsioni sulla materia oscura fredda, " sottolinea Vogelsberger. "Ad esempio, se guardi galassie molto piccole, la distribuzione dedotta della materia oscura all'interno di queste galassie non concorda perfettamente con quanto prevedono i modelli teorici. Quindi c'è tensione lì".

Accedere, poi, teorie alternative per la materia oscura, compreso caldo, e sfocato, che i ricercatori hanno proposto negli ultimi anni.

"La natura della materia oscura è ancora un mistero, " Dice Fialkov. "La materia oscura sfocata è motivata dalla fisica fondamentale, ad esempio, teoria delle stringhe, e quindi è un candidato interessante per la materia oscura. Le strutture cosmiche sono la chiave per convalidare o escludere tali modelli di materia oscura".

La materia oscura sfocata è costituita da particelle così leggere da agire in un quanto, moda ondulata, piuttosto che come singole particelle. Questo quanto, natura sfocata, Mocz dice, potrebbe aver prodotto le prime galassie che sembrano completamente diverse da quelle previste dai modelli standard per la materia oscura fredda.

"Anche se nel tardo universo questi diversi scenari di materia oscura possono prevedere forme simili per le galassie, le prime galassie sarebbero sorprendentemente diverse, che ci darà un indizio su cosa sia la materia oscura, "dice Mozzi.

Per vedere quanto diverso potrebbe essere un universo primordiale freddo e sfocato, i ricercatori hanno simulato un piccolo, spazio cubico dell'universo primordiale, misura circa 3 milioni di anni luce di diametro, e lo fece avanzare in tempo per vedere come si sarebbero formate le galassie in uno dei tre scenari di materia oscura:freddo, caldo, e sfocato.

Il team ha iniziato ogni simulazione assumendo una certa distribuzione di materia oscura, di cui gli scienziati hanno qualche idea, sulla base di misurazioni del fondo cosmico a microonde - "radiazione reliquia" emessa da, ed è stato rilevato solo 400, 000 anni dopo, il big Bang.

"La materia oscura non ha una densità costante, anche in questi primi tempi, " Dice Vogelsberger. "Ci sono minuscole perturbazioni al di sopra di un campo a densità costante".

I ricercatori sono stati in grado di utilizzare algoritmi esistenti per simulare la formazione di galassie in scenari di materia oscura fredda e calda. Ma per simulare la materia oscura sfocata, con la sua natura quantistica, avevano bisogno di un nuovo approccio.

Una mappa delle corde dell'arpa

I ricercatori hanno modificato la loro simulazione della materia oscura fredda, permettendogli di risolvere due equazioni extra per simulare la formazione di galassie in un universo di materia oscura sfocata. Il primo, l'equazione di Schrödinger, descrive come una particella quantistica si comporta come un'onda, mentre il secondo, Equazione di Poisson, descrive come quell'onda genera un campo di densità, o distribuzione di materia oscura, e come quella distribuzione porta alla gravità, la forza che alla fine attira la materia per formare le galassie. Hanno quindi accoppiato questa simulazione a un modello che descrive il comportamento del gas nell'universo, e il modo in cui si condensa in galassie in risposta agli effetti gravitazionali.

In tutti e tre gli scenari, galassie formate ovunque ci fossero sovra-densità, o grandi concentrazioni di materia oscura collassata gravitazionalmente. Il modello di questa materia oscura, però, era diverso, a seconda che facesse freddo, caldo, o sfocato.

In uno scenario di fredda materia oscura, galassie formate in aloni sferici, così come subhalos più piccoli. La materia oscura calda ha prodotto le prime galassie in filamenti a forma di coda, e nessun subalone. Ciò potrebbe essere dovuto al fatto che la materia oscura calda è più chiara, natura più veloce, rendendo le particelle meno propense a rimanere attaccate in piccoli, grumi subhalo.

Simile alla materia oscura calda, la materia oscura sfocata formava stelle lungo i filamenti. Ma poi gli effetti delle onde quantistiche hanno preso il sopravvento nel plasmare le galassie, che formava più filamenti striati, come le corde di un'arpa invisibile. Vogelsberger afferma che questo schema striato è dovuto a un'interferenza, un effetto che si verifica quando due onde si sovrappongono. Quando ciò si verifica, per esempio in onde di luce, i punti in cui le creste e le depressioni di ogni onda si allineano formano macchie più scure, creando un modello alternato di regioni luminose e scure.

Nel caso della materia oscura sfocata, invece di punti luminosi e oscuri, genera uno schema alternato di concentrazioni troppo e poco dense di materia oscura.

"Avresti un sacco di attrazione gravitazionale a queste sovra-densità, e il gas seguirebbe, e ad un certo punto formerebbero galassie lungo quelle sovra-densità, e non le sotto-densità, " Spiega Vogelsberger. "Questa immagine sarebbe replicata in tutto l'universo primordiale".

Il team sta sviluppando previsioni più dettagliate su come avrebbero potuto apparire le prime galassie in un universo dominato dalla materia oscura sfocata. Il loro obiettivo è fornire una mappa per i prossimi telescopi, come il telescopio spaziale James Webb, che potrebbe essere in grado di guardare abbastanza indietro nel tempo per individuare le prime galassie. Se vedono galassie filamentose come quelle simulate da Mocz, Fialkov, Vogelsberger, e i loro colleghi, potrebbero essere i primi segni che la natura della materia oscura è confusa.

"È questo test osservazionale che possiamo fornire per la natura della materia oscura, sulla base delle osservazioni dell'universo primordiale, che diventerà fattibile nei prossimi due anni, "dice Vogelsberger.