L’insostenibile pesantezza degli ammassi

Un ammasso di galassie particolarmente denso. Crediti: Kavli IPMU, adattato dalla Sloan Digital Sky Survey

Un team internazionale di ricercatori ha dimostrato che il rapporto tra gli ammassi di galassie e l’alone di materia oscura che li circonda è più complesso di quanto si pensasse. Lo studio, pubblicato il 25 gennaio su Physical Review Letters, ha dimostrato per la prima volta che la connessione tra un ammasso e la materia oscura circostante non è caratterizzato solo dalla massa dell’ammasso stesso, ma anche dalla storia della sua formazione.

Gli ammassi di galassie sono in assoluto gli oggetti celesti più grandi che si possano osservare, e si sono formati a partire dalla non uniformità della distribuzione di materia che si è verificata nelle prime fasi di vita dell’Universo. La loro crescita è una lotta costante tra la raccolta di materia oscura a causa della gravità e l’espansione accelerata dell’Universo dovuta all’energia oscura.

Un ammasso di galassie può contenere fino a centinaia di migliaia di galassie, legate tra loro dalla forza di gravità. I cosmologi hanno da sempre modellato e interpretato la formazione degli ammassi tenendo conto unicamente delle masse in gioco: quelle delle galassie e dei loro aloni. Tuttavia, alcuni studi teorici suggeriscono che la massa non sia l’unico elemento in gioco, ma che esista un “bias di aggregazione” (dove bias significa una correzione dovuta ad un errore sistematico), che tiene conto di quando e come si è formato l’ammasso di galassie.

Il gruppo di ricerca, guidato da Hironao Miyatake del Jet Propulsion Laboratory della NASA, Surhud More e Masahiro Takada del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, ha sfidato la teoria più accreditata, secondo cui la connessione tra gli ammassi di galassie e l’ambiente circostante, dominato dalla materia oscura, è caratterizzata esclusivamente dalla loro massa. Era già stato teorizzato che esistessero altri fattori ad influenzare questo legame, ma nessuno era riuscito ad effettuare osservazioni dirette fino ad ora.

“Le simulazioni ci hanno mostrato che il bias di aggregazione dovrebbe essere uno degli ingredienti fondamentali”, ha spiegato Rachel Mandelbaum, ricercatrice del McWilliams Center for Cosmology della Carnegie Mellon University. “Ottenere una conferma osservativa di questa ipotesi è un passo importante verso la comprensione di come si formino ed evolvano gli ammassi di galassie”.

Nel corso dello studio, il team ha analizzato i dati del catalogo DR8 della Sloan Digital Sky Survey. Utilizzando queste osservazioni i ricercatori hanno dimostrato che gli elementi che influenzano il modo in cui un ammasso interagisce con l’alone di materia oscura sono il momento e il modo in cui le galassie si raggruppano formando l’ammasso stesso.

I ricercatori hanno selezionato in tutto circa 9.000 ammassi di galassie, dividendoli in due gruppi a seconda della distribuzione spaziale delle galassie al loro interno. Un gruppo era costituito da ammassi di galassie maggiormente addensati verso il centro, mentre nell’altro gruppo le galassie erano più diffuse. Hanno quindi utilizzato una tecnica chiamata lente gravitazionale per dimostrare che, a parità di massa, gli ammassi interagiscono con l’ambiente in maniera molto differente. La differenza di distribuzione è quindi dovuta al diverso tipo di ambiente di materia oscura in cui l’ammasso si è formato ed è evoluto.

«Il segnale misurato è incredibilmente maggiore di quanto previsto dalle stime teoriche», ha spiegato Surhud More. «Il numero di test a cui abbiamo sottoposto i nostri risultati per assicurarci che non ci fossero errori sistematici è stata la parte più faticosa di questa ricerca».

«Conoscere il modo in cui si raggruppano gli ammassi di galassie su larga scala è uno degli obiettivi principali della cosmologia moderna», ha dichiarato Rachel Mandelbaum, ricercatrice del McWilliams Center for Cosmology della Carnegie Mellon University e membro del team che ha effettuato la scoperta. «Dobbiamo procedere in questo campo tenendo conto del fatto che la massa sembra non essere l’unico fattore determinante».

«Questo risultato è davvero emozionante!», ha dichiarato Masahiro Takada. «Significa che potremo utilizzare i dati della Subaru Hyper Suprime Webcam, che saranno disponibili a breve, per effettuare controlli ulteriori e migliorare la nostra comprensione della storia di formazione degli ammassi di galassie».

I risultati di questo studio dovranno essere tenuti in considerazione nei futuri studi riguardanti la struttura a larga scala dell’Universo, la natura della materia oscura e dell’energia oscura, e l’Universo primordiale in generale.

Per saperne di più, si invita alla lettura dell’articolo “Evidence of Halo Assembly Bias in Massive Clusters” pubblicato su Physical Review Letters da Hironao Miyatake, Surhud More, Masahiro Takada, David N. Spergel, Rachel Mandelbaum, Eli S. Rykoff e Eduardo Rozo

Fonte: Media INAF | Scritto da Elisa Nichelli