Un nuovo sguardo agli “anelli di Einstein” attorno a galassie lontane ci ha avvicinato alla risoluzione del dibattito sulla materia oscura

I fisici credono che la maggior parte della materia nell’universo sia costituita da materia invisibile che conosciamo solo attraverso i suoi effetti indiretti su stelle e galassie che possiamo vedere.

Non siamo pazzi! Senza questa “materia oscura”, l’universo così come lo vediamo non avrebbe alcun significato.

Ma la natura della materia oscura è un antico mistero. Ma, Nuovo studio Scritto da Alfred Amroth dell’Università di Hong Kong e colleghi, pubblicato in astronomia naturaleutilizza la flessione gravitazionale della luce per avvicinarci di un passo alla comprensione.

Invisibile ma onnipresente

Il motivo per cui pensiamo che la materia oscura esista è perché possiamo vedere i suoi effetti gravitazionali sul comportamento delle galassie. Nello specifico, la materia oscura sembra costituire circa l’85% della massa dell’universo e la maggior parte delle galassie lontane che possiamo vedere sembrano essere circondate da un alone di materia misteriosa.

Ma si chiama materia oscura perché non emette, assorbe o riflette la luce, il che la rende molto difficile da rilevare.

Quindi quali sono queste cose? Pensiamo che debba essere una specie di particella fondamentale sconosciuta, ma non ne siamo ancora sicuri. Tutti i tentativi di rilevare le particelle di materia oscura negli esperimenti di laboratorio sono finora falliti e i fisici hanno discusso la loro natura per decenni.

Gli scienziati hanno proposto due principali candidati ipotetici per la materia oscura: caratteri relativamente pesanti chiamati particelle massicce a interazione debole (o WIMP) e particelle estremamente leggere chiamate assioni. In teoria, i WIMP si comportano come particelle discrete, mentre gli assioni si comportano in modo molto simile alle onde a causa dell’interferenza quantistica.

Era difficile distinguere tra queste due possibilità, ma una piccola deviazione intorno a galassie lontane ha fornito un indizio.

Lente gravitazionale e anelli di Einstein

Quando la luce attraversa l’universo attraverso un oggetto massiccio come una galassia, il suo percorso è curvo perché – secondo la teoria della relatività generale di Albert Einstein – la gravità dell’oggetto massiccio distorce lo spazio e il tempo attorno ad esso.

Di conseguenza, a volte quando guardiamo una galassia lontana possiamo vedere immagini distorte di altre galassie dietro di essa. E se le cose si allineano perfettamente, la luce della galassia sullo sfondo girerà attorno alla galassia più vicina.

Questa distorsione della luce è chiamata “lente gravitazionale” e i cerchi che può creare sono chiamati “loop di Einstein”.

Studiando come gli anelli o altre immagini lenticolari si distorcono, gli astronomi possono conoscere le proprietà dell’alone di materia oscura che circonda la galassia più vicina.

Assioni contro WIMP

Ed è esattamente quello che hanno fatto Amroth e il suo team nel loro nuovo studio. Hanno esaminato diversi sistemi in cui più copie dello stesso oggetto erano visibili sullo sfondo attorno alla galassia lente in primo piano, con particolare attenzione a un sistema chiamato HS 0810+2554.

Usando modelli dettagliati, hanno capito come le immagini si distorcerebbero se la materia oscura fosse fatta di WIMP rispetto a come sarebbe se la materia oscura fosse fatta di assioni. Il modello WIMP non assomigliava molto alla realtà, ma il modello axion riproduceva accuratamente tutte le caratteristiche del sistema.

La scoperta indica che gli assioni sono un candidato più probabile per la materia oscura e la loro capacità di spiegare le anomalie di lente e altre osservazioni astrofisiche è irritante per gli scienziati.

particelle e galassie

La nuova ricerca si basa su studi precedenti che indicavano anche che gli assioni sono la forma più probabile di materia oscura. Per esempio, uno studio ha esaminato gli effetti della materia oscura degli assioni sullo sfondo cosmico a microonde, mentre scorso Esaminando il comportamento della materia oscura nelle galassie nane.

Sebbene questa ricerca non porrà fine al dibattito scientifico sulla natura della materia oscura, apre nuove strade per i test e la sperimentazione. Ad esempio, le future osservazioni di lenti gravitazionali potrebbero essere utilizzate per sondare la natura ondulatoria degli assoni e possibilmente misurare la loro massa.

Una migliore comprensione della materia oscura avrà implicazioni per ciò che sappiamo sulla fisica delle particelle e sull’universo primordiale. Può anche aiutarci a capire meglio come si formano e cambiano le galassie nel tempo.