Un recente studio, focalizzato sugli scontri tra ammassi di galassie che avvengono nel corso di miliardi di anni e sul comportamento della materia oscura, mostra che questa interagisce molto poco con sé stessa, ancora meno di quanto si pensasse.
La ricerca, guidata da un gruppo di scienziati del Politecnico di Losanna e dell'Università di Edimburgo, mette in dubbio l'idea che la materia oscura sia composta di particelle.
I risultati sono stati pubblicati dulla rivista Science.
The nongravitational interactions of dark matter in colliding galaxy clusters [abstract]
Collisions between galaxy clusters provide a test of the nongravitational forces acting on dark matter. Dark matter's lack of deceleration in the "bullet cluster" collision constrained its self-interaction cross section σDM/m < 1.25 square centimeters per gram (cm2/g) [68% confidence limit (CL)] (σDM, self-interaction cross section; m, unit mass of dark matter) for long-ranged forces. Using the Chandra and Hubble Space Telescopes, we have now observed 72 collisions, including both major and minor mergers. Combining these measurements statistically, we detect the existence of dark mass at 7.6σ significance. The position of the dark mass has remained closely aligned within 5.8 ± 8.2 kiloparsecs of associated stars, implying a self-interaction cross section σDM/m < 0.47 cm2/g (95% CL) and disfavoring some proposed extensions to the standard model.La materia oscura è uno dei grandi misteri della scienza.
La nostra galassia contiene centinaia di miliardi di stelle e, nell'Universo osservabile, ci sono centinaia di miliardi di galassie. Nello spazio tra le stelle e le galassie, c'è anche una grande quantità di gas e polveri. Eppure, tutti questi elementi insieme, stelle, galassie, gas e polveri, costituiscono solo il 10 / 15 per cento della materia nell'Universo. Il restante 85 / 90 per cento è materia oscura.
Gli scienziati non sanno cosa sia, di cosa sia fatta e da dove provenga, sanno solo che è estremamente sfuggente: non riflette, non assorbe e non emette luce, risultando quindi invisibile. Però, i suoi effetti gravitazioni possono essere osservati nell'Universo visibile.
Fino ad oggi, diverse teorie in competizione tra loro, hanno cercato di fornire una spiegazione valida ma senza grandi risultati.
Tuttavia, una delle idee comunemente accettate, è che la materia oscura è formata da particelle subatomiche che non ancora non sono state scoperte. Dall'altra parte, teorie più stravaganti ed esotiche, suggeriscono che possa essere sorta di "difetto quantistico" risalente alla nascita dell'Universo, oppure una specie di massa extra-dimensionale o una variante della gravità.
Quello che sappiamo, però, è che la materia oscura interagisce gravitazionalmente con le strutture cosmiche, modellandole. Ad esempio, devia la luce, distorce le immagini di oggetti astronomici distanti ed influenza il moto delle galassie all'interno ammassi di galassie. Questi sono formati, a loro volta da centinaia di galassie, stelle, pianeti, gas ma, per una buona parte, anche di materia oscura e ciò li rende ideali per uno studio sul campo, soprattutto quando entrano in collisione.
David Harvey, dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Svizzera, ed il suo team, ha esaminato 72 ammassi di galassie interagenti, incidenti cosmici che si verificano nel corso di miliardi di anni quando gli ammassi di galassie si attraggono a vicenda a causa delle loro masse gigantesche. Durante questi eventi, la materia, ordinaria ed oscura in ogni cluster, interagisce con quella dell'altro, offrendo un'opportunità unica di studio.
Durante le collisioni, le nubi di gas si scontrano violentemente, comportandosi come un liquido che spruzza in ogni direzione. Le stelle, invece, sono meno interessate da questi scontri catastrofici: a causa delle enormi distanze che le separano, difficilmente si influenzano a vicenda e le collisioni sono rare.
"Sappiamo come il gas e le stelle reagiscono a questi incidenti cosmici e dove emergono dalle macerie. Confrontare questo con il comportamento della materia oscura, può avvicinarci a capire ciò che è in realtà", ha spiegato Harvey.
Il primo passo è stato individuare la materia oscura all'interno degli ammassi di galassie. Per far ciò, i ricercatori hanno studiato la distorsione della luce proveniente dalle galassie dietro i cluster. Avendo un'idea piuttosto precisa della loro massa visibile, la quantità di luce distorta è indicativa di quanta materia oscura contenuta nell'ammasso di galassie.
Lo studio è partito dai dati del Chandra X-ray Space Observatory e del telescopio spaziale Hubble.
"Uno studio precedente aveva osservato un comportamento simile nel Bullet Cluster", ha detto Richard Massey della Durham University, UK, membro del team. "Ma è difficile interpretare quello che stai guardando se hai solo un esempio a disposizione. Ogni collisione impiega centinaia di milioni di anni, quindi in una vita umana abbiamo solo la possibilità di vedere un fermo immagine da un unico punto di osservazione. Ora che abbiamo studiato molte collisioni, possiamo cominciare a mettere insieme il film completo e capire meglio cosa sta succedendo".
Partendo dai dati sulle collisioni, l'obiettivo dello studio è stato misurare la variazione della quantità di moto della materia oscura durante lo scontro tra ammassi di galassie.
I risultati sono stati sorprendenti perché dimostrano che la materia oscura durante una collisione tra cluster, si limita ad attraversarli senza rallentare, comportandosi tipo le stelle. Tuttavia, diversamente da queste, ciò non avviene a causa della distanza tra gli elementi che la compongono, anche perché la teoria principale prevede una sua distribuzione uniforme negli ammassi di galassie. La materia oscura non subisce gli effetti dello scontro perché non interagisce con le particelle visibili ed interagisce ancora meno con sé stessa.
Esperimenti sulla Terra, ad esempio nel Large Hadron Collider (LHC), mostrano che quando le particelle subatomiche interagiscono, scambiano moto tra loro. Quindi, se ciò non avviene per la materia oscura, allora è lecito qualche dubbio e trarre alcune conclusione.
La materia oscura è costituita o no da particelle? Per verificarlo, lo studio ha lavorato a due possibili scenari: o le particelle di materia oscura interagiscono frequentemente ma scambiando poco moto, oppure interagiscono raramente scambiando molto. Nel primo caso, la materia oscura rallenterebbe dopo la collisione perché le interazioni frequenti tra le particelle causerebbe una resistenza aggiuntiva. Nel secondo scenario, invece, tenderebbe a disperdersi nello spazio. Tuttavia, negli esempi osservati, la materia oscura sembra piuttosto passare indisturbata, mettendo in dubbio l'opinione diffusa secondo cui sarebbe composta da particelle simili a protoni:
"Ciò implica che la materia oscura non è costituita di 'protoni oscuri'", ha affermato Harvey. "Se fosse stati così, li avremmo visti 'rimbalzare' a vicenda"
Per aumentare ulteriormente il campione di studio, la squadra sta cercando di integrare le collisioni che coinvolgono singole galassie, che sono molto più comuni.
Riferimenti: -
http://www.sciencedaily.com/releases/2015/03/150326152238.htm
- http://phys.org/news/2015-03-galaxy-clusters-collidedark-mystery.html
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