Il residuo di radiazione del Big Bang, distorto dalla materia oscura 12 miliardi di anni fa. Credito:Reiko Matsushita
Una collaborazione guidata dagli scienziati dell'Università di Nagoya in Giappone ha studiato la natura della materia oscura che circonda le galassie viste come erano 12 miliardi di anni fa, miliardi di anni più indietro nel tempo che mai. I loro risultati, pubblicati in Physical Review Letters , offrono l'allettante possibilità che le regole fondamentali della cosmologia possano differire quando si esamina la storia primitiva del nostro universo.
Vedere qualcosa che è successo tanto tempo fa è difficile. A causa della velocità finita della luce, le galassie lontane non appaiono come sono oggi, ma come erano miliardi di anni fa. Ma ancora più impegnativo è osservare la materia oscura, che non emette luce.
Consideriamo una galassia sorgente lontana, anche più lontana della galassia di cui si vuole indagare la materia oscura. L'attrazione gravitazionale della galassia in primo piano, inclusa la sua materia oscura, distorce lo spazio e il tempo circostanti, come previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein. Mentre la luce della galassia sorgente viaggia attraverso questa distorsione, si piega, cambiando la forma apparente della galassia. Maggiore è la quantità di materia oscura, maggiore è la distorsione. Pertanto, gli scienziati possono misurare la quantità di materia oscura attorno alla galassia in primo piano (la galassia della "lente") dalla distorsione.
Tuttavia, oltre un certo punto gli scienziati incontrano un problema. Le galassie negli angoli più profondi dell'universo sono incredibilmente deboli. Di conseguenza, più lontano guardiamo dalla Terra, meno efficace diventa questa tecnica. La distorsione della lente è sottile e difficile da rilevare nella maggior parte dei casi, quindi sono necessarie molte galassie di fondo per rilevare il segnale.
La maggior parte degli studi precedenti è rimasta bloccata agli stessi limiti. Incapaci di rilevare galassie sorgente abbastanza lontane per misurare la distorsione, hanno potuto analizzare la materia oscura solo da non più di 8-10 miliardi di anni fa. Queste limitazioni hanno lasciato aperta la questione della distribuzione della materia oscura tra questo periodo e 13,7 miliardi di anni fa, intorno all'inizio del nostro universo.
Per superare queste sfide e osservare la materia oscura dagli angoli più remoti dell'universo, un gruppo di ricerca guidato da Hironao Miyatake dell'Università di Nagoya, in collaborazione con l'Università di Tokyo, l'Osservatorio astronomico nazionale del Giappone e l'Università di Princeton, ha utilizzato una fonte diversa di luce di fondo, le microonde rilasciate dal Big Bang stesso.
In primo luogo, utilizzando i dati delle osservazioni del Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC), il team ha identificato 1,5 milioni di galassie con lenti usando la luce visibile, selezionate per essere viste 12 miliardi di anni fa.
Successivamente, per superare la mancanza di luce della galassia ancora più lontana, hanno utilizzato le microonde del fondo cosmico a microonde (CMB), il residuo di radiazione del Big Bang. Utilizzando le microonde osservate dal satellite Planck dell'Agenzia spaziale europea, il team ha misurato il modo in cui la materia oscura attorno alle galassie della lente ha distorto le microonde.
"Guardi la materia oscura intorno a galassie lontane?" ha chiesto il professor Masami Ouchi dell'Università di Tokyo, che ha fatto molte delle osservazioni. "È stata un'idea pazza. Nessuno si è reso conto che potevamo farlo. Ma dopo aver tenuto un discorso su un grande campione di galassie distanti, Hironao è venuto da me e ha detto che potrebbe essere possibile osservare la materia oscura attorno a queste galassie con la CMB. "
"La maggior parte dei ricercatori utilizza le galassie sorgente per misurare la distribuzione della materia oscura dal presente a otto miliardi di anni fa", ha aggiunto il professore assistente Yuichi Harikane dell'Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo. "Tuttavia, potremmo guardare più indietro nel passato perché abbiamo usato la CMB più distante per misurare la materia oscura. Per la prima volta, stavamo misurando la materia oscura fin quasi dai primi momenti dell'universo".
Dopo un'analisi preliminare, i ricercatori si sono presto resi conto di avere un campione sufficientemente grande per rilevare la distribuzione della materia oscura. Combinando il grande campione di galassie distanti e le distorsioni del lensing nella CMB, hanno rilevato la materia oscura ancora più indietro nel tempo, da 12 miliardi di anni fa. Questo è solo 1,7 miliardi di anni dopo l'inizio dell'universo, e quindi queste galassie vengono viste subito dopo la loro prima formazione.
"Sono stato felice di aver aperto una nuova finestra su quell'era", ha detto Miyatake. "12 miliardi di anni fa, le cose erano molto diverse. Vedete più galassie in fase di formazione che in questo momento; anche i primi ammassi di galassie stanno iniziando a formarsi". Gli ammassi di galassie comprendono 100-1000 galassie legate dalla gravità con grandi quantità di materia oscura.
"Questo risultato fornisce un quadro molto coerente delle galassie e della loro evoluzione, nonché della materia oscura all'interno e intorno alle galassie, e di come questa immagine si evolve nel tempo", ha affermato Neta Bahcall, professore di astronomia Eugene Higgins, professore di scienze astrofisiche e Direttore degli studi universitari all'Università di Princeton.
Una delle scoperte più interessanti dei ricercatori è stata correlata alla massa della materia oscura. Secondo la teoria cosmologica standard, il modello Lambda-CDM, le fluttuazioni sottili nella CMB formano pozze di materia densamente impacchettata attirando la materia circostante attraverso la gravità. Questo crea grumi disomogenei che formano stelle e galassie in queste regioni dense. I risultati del gruppo suggeriscono che la loro misurazione dell'aggregazione era inferiore a quanto previsto dal modello Lambda-CDM.
Miyatake è entusiasta delle possibilità. "La nostra scoperta è ancora incerta", ha detto. "Ma se è vero, suggerirebbe che l'intero modello è difettoso man mano che si va più indietro nel tempo. Questo è eccitante perché se il risultato è valido dopo che le incertezze sono state ridotte, potrebbe suggerire un miglioramento del modello che potrebbe fornire informazioni dettagliate nella natura della materia oscura stessa".
"A questo punto, cercheremo di ottenere dati migliori per vedere se il modello Lambda-CDM è effettivamente in grado di spiegare le osservazioni che abbiamo nell'universo", ha affermato Andrés Plazas Malagón, ricercatore associato all'Università di Princeton. "E la conseguenza potrebbe essere che dobbiamo rivedere i presupposti che sono stati inseriti in questo modello".
"Uno dei punti di forza dell'osservazione dell'universo mediante indagini su larga scala, come quelle utilizzate in questa ricerca, è che puoi studiare tutto ciò che vedi nelle immagini risultanti, dagli asteroidi vicini nel nostro sistema solare ai più distanti galassie dell'universo primordiale. È possibile utilizzare gli stessi dati per esplorare molte nuove domande", ha affermato Michael Strauss, professore e presidente del Dipartimento di scienze astrofisiche dell'Università di Princeton.
Questo studio ha utilizzato i dati disponibili dai telescopi esistenti, inclusi Planck e Subaru. Il gruppo ha esaminato solo un terzo dei dati del Subaru Hyper Suprime-Cam Survey. Il prossimo passo sarà analizzare l'intero set di dati, che dovrebbe consentire una misurazione più precisa della distribuzione della materia oscura. In futuro, il team prevede di utilizzare un set di dati avanzato come il Legacy Survey of Space and Time (LSST) del Vera C. Rubin Observatory per esplorare più delle prime parti dello spazio. "L'LSST ci permetterà di osservare metà del cielo", ha detto Harikane. "Non vedo alcun motivo per cui non potremmo vedere la distribuzione della materia oscura 13 miliardi di anni fa". + Esplora ulteriormente
