Il problema della massa mancante

Tutto ciò che conosciamo e amiamo dell’universo e di tutte le leggi della fisica si applica al 4% dell’universo. È straordinario“, dice l’astronomo e presentatore di “Cosmos”, Neil deGrasse Tyson. La maggior parte della massa dell’universo è scomparsa, nascosta in qualche forma esotica, non ancora rilevabile dalla materia visibile che compone le galassie, le stelle, i pianeti e l’Homo sapiens.

Il problema della massa mancante, ha osservato la NASA, “è arrivato al punto in cui è più di un semplice problema. È un imbarazzo, un ostacolo alla comprensione di cose come la struttura delle galassie, l’evoluzione degli ammassi di galassie e il destino finale dell’universo“.

Con grande sorpresa e costernazione degli astronomi, riferisce la NASA, poiché le osservazioni radio e ottiche hanno esteso le misurazioni della velocità delle stelle e dei gas che si trovano nelle regioni esterne delle galassie a spirale, hanno scoperto quelle stelle e le nubi di gas si muovono alla stessa velocità di quelle che invece si trovano più vicino al centro galattico, con una parte sostanziale della massa della galassia non concentrata verso il centro della galassia, ma deve essere distribuita in un alone scuro e invisibile che circonda la galassia visibile.

Queste regioni esterne delle galassie, vagamente viste in una fotografia, possono in realtà contenere la maggior parte della materia. Secondo le parole degli astronomi Margaret e Geoffrey Burbidge, ex direttore del Kitt Peak National Observatory in Arizona e uno degli ultimi giganti dell’astronomia del dopoguerra, ritengono che l’universo sia “più vario e violento di quanto chiunque avesse mai sognato: galassie radio e quasar che eruttano con quantità gigantesche di energia, pulsar e buchi neri che bucano il cosmo, e catene di galassie che corrono all’infinito verso l’eternità“.

Aloni di dimensioni terrestri

Mentre gli aloni di materia oscura più grandi contengono enormi ammassi di galassie, che pesano oltre un quadrilione di volte tanto quanto il nostro Sole, sono ben documentati, le masse degli aloni di materia oscura più piccoli – si ipotizza che riguardino la massa della Terra – sono sconosciute, riferisce un gruppo di ricerca internazionale guidato da Wang Jie degli Osservatori Astronomici Nazionali dell’Accademia delle Scienze cinese (NAOC).

Il più profondo Zoom-500 volte la dimensione del nostro sistema solare

La mappa della densità della materia oscura mostrata di seguito è stata creata usando una simulazione che misura 2,4 miliardi di anni luce per lato. Il quadrato intermedio (in alto a destra) è poco meno di un milione di anni luce di diametro. Il quadrato più piccolo (in basso a sinistra) è lo zoom più profondo: è solo 783 anni luce di diametro, equivalente a 500 volte la dimensione del sistema solare. Nel quadrato intermedio (in alto a destra) gli aloni di materia oscura più grandi hanno una massa simile a quella di un ricco ammasso di galassie (un milione di trilioni di volte la massa del Sole). Nel quadrato più piccolo (in basso a destra) gli aloni più piccoli chiaramente visibili hanno una massa paragonabile a quella della Terra (0,00000003 la massa del Sole). (Dr Sownak Bose, Centro di Astrofisica, Università di Harvard).

Il team di ricerca, con sede presso l’Osservatorio Nazionale dell’Accademia Cinese delle Scienze in Cina, Durham University, il Max Planck Institute for Astrophysics in Germania e il Center for Astrophysics dell’Università di Harvard, ha impiegato cinque anni per sviluppare, testare e “zoomare su una tipica regione di un universo virtuale, come se zoomando su un’immagine della Luna si vedesse una pulce sulla sua superficie“.

Le simulazioni sono state effettuate utilizzando il supercomputer Cosmology Machine, parte della struttura di calcolo ad alte prestazioni DiRAC di Durham e i computer dell’Accademia cinese delle scienze.

Aloni così piccoli sarebbero estremamente numerosi, secondo lo studio, contenenti una frazione sostanziale di tutta la materia oscura dell’universo. Tuttavia, rimarrebbero scure per tutta la storia cosmica perché le stelle e le galassie crescono solo in aureole più di un milione di volte più massicce del Sole. “Questi piccoli aloni possono essere studiati solo simulando l’evoluzione dell’Universo in un grande supercomputer“, ha detto Wang.

Aloni troppo piccoli per contenere le stelle

Zoomando su questi aloni di materia oscura relativamente piccoli possiamo calcolare la quantità di radiazioni che ci si aspetta provengano da aloni di dimensioni diverse“, ha detto il coautore Carlos Frenk, Ogden Professor di Fisica Fondamentale presso l’Istituto di Cosmologia Computazionale dell’Università di Durham. “La maggior parte di questa radiazione sarebbe emessa da aloni di materia oscura troppo piccoli per contenere le stelle e i futuri osservatori di raggi gamma potrebbero essere in grado di rilevare queste emissioni, rendendo questi piccoli oggetti individualmente o collettivamente ‘visibili’. Questo confermerebbe la natura ipotizzata della materia oscura, che potrebbe non essere del tutto oscura, dopo tutto“.

Ciò ha permesso loro di studiare la struttura degli aloni di materia oscura di tutte le masse tra quella della Terra e quella di un grande ammasso di galassie. In numero, lo zoom copre un intervallo di massa da 10 a 10^30 (cioè un uno seguito da 30 zeri), che equivale al numero di chilogrammi nel Sole.

Un universo virtuale in dettaglio microscopico

Zoomando l’universo virtuale con un dettaglio così microscopico, i ricercatori hanno potuto studiare la struttura degli aloni di materia oscura da quello terrestre a quello dei grandi ammassi di galassie. “Sorprendentemente, troviamo che gli aloni di tutte le dimensioni hanno una struttura interna molto simile, cioè sono estremamente densi al centro, si diffondono sempre più e hanno ciuffi più piccoli in orbita nelle loro regioni esterne”, ha detto Wang. “Senza una scala di misura era quasi impossibile distinguere l’immagine di un alone di materia oscura di una galassia massiccia da una la cui massa è una frazione del Sole“.

Le particelle di materia oscura possono collidere vicino ai centri degli aloni e possono, secondo alcune teorie, annientarsi in un’esplosione di radiazioni energetiche (gamma).

Zoomando su questi aloni di materia oscura relativamente piccoli, possiamo calcolare la quantità di radiazioni che ci si aspetta provengano da aloni di dimensioni diverse“, ha detto Frenk. La maggior parte di questa radiazione verrebbe emessa da aloni di materia oscura troppo piccoli per contenere le stelle e i futuri osservatori di raggi gamma potrebbero essere in grado di rilevare queste emissioni, rendendo questi piccoli oggetti individualmente o collettivamente “visibili“.

Ospitare una frazione sostanziale della materia oscura dell’Universo

Ci aspettiamo che i piccoli aloni di materia oscura siano estremamente numerosi e che contengano una frazione sostanziale di tutta la materia oscura dell’universo“, ha detto il coautore Simon White, dell’Istituto di Astrofisica Max Planck, Germania, “ma rimarrebbero per lo più oscuri nel corso della storia cosmica perché le stelle e le galassie crescono solo in aloni più di un milione di volte più massicci del Sole. La nostra ricerca fa luce su questi piccoli aloni mentre cerchiamo di saperne di più su cosa sia la materia oscura e sul ruolo che svolge nell’evoluzione dell’universo“.