27 Mag 2021 Ponti di Materia Oscura tra le Galassie
Un team di astronomi guidato della Penn State University ha realizzato una nuova mappa della materia oscura nello spazio cosmico circostante la Via Lattea. Lo studio suggerisce la presenza di immensi filamenti, invisibili all’occhio umano e appartenenti alla “rete cosmica“, che connettono tra loro le galassie dell’Universo locale.
Dobbiamo la nostra esistenza a piccole anomalie. Circa 13,8 miliardi di anni fa ebbero inizio lo spazio e il tempo, ma vennero anche gettati i semi di tutta la materia che costituisce oggi il nostro Universo. Sebbene fosse inizialmente concentrata in un punto, la materia, grazie a processi inflazionistici, si espanse a rotta di collo, creando un’immensa nube in cui era quasi uniformemente distribuita. Quasi, appunto: in alcune zone la materia primordiale era appena un poco più densa che in altre. Esercitando maggiore influenza gravitazionale sullo spazio circostante, queste minime aree più dense trascinarono ulteriore gas verso di sè, fino a diventare sempre più dense e vaste, mentre lo spazio attorno diventava sempre più vuoto. Nel corso di oltre 13 miliardi di anni, si è venuta a creare un’immensa struttura a rete: vasti spazi pressochè vuoti, interrotti da aree in cui migliaia di galassie si addensano in uno spazio ridotto. Secondo gli astronomi, galassie e ammassi galattici sarebbero connessi da filamenti residui di materia, come nodi di una ragnatela.
In queste mappe di densità di materia ricavate dalla simulazione le galassie sono i puntini neri, in rosso sono rappresentate le strutture principali note, mentre in giallo le strutture filamentari più piccole che agiscono come ponti tra le galassie. La X denota la Via Lattea e le frecce indicano il moto dell’Universo locale dovuto alla gravità Credit: Hong et. al., Astrophysical
Si ritiene che la materia oscura costituisca oltre l’80 percento della materia nel cosmo e fornisca lo “scheletro” per quella che gli astronomi definiscono “rete cosmica”, la struttura a vasta scala che compone l’Universo e che, grazie alla sua influenza gravitazionale, regola il moto di galassie e altro materiale cosmico. Tuttavia, la distribuzione di materia oscura nelle nostre vicinanze è attualmente ignota, in quanto non può essere misurata direttamente. I ricercatori devono dedurre la sua distribuzione dall’influenza gravitazionale su altri oggetti, come le galassie. “Ironicamente, è più facile studiare la distribuzione di materia oscura molto più distante da noi perché riflette il remoto passato, che è assai meno complesso”, spiega Donghui Jeong della Penn State University. “Nel corso del tempo, man mano che si è ampliata la struttura a vasta scala del cosmo, la complessità dell’Universo si è incrementata, pertanto è intrinsecamente più difficile effettuare misurazioni sulla materia oscura a livello locale”. La distribuzione delle galassie nell’Universo deriva dall’incessante tiro alla fune tra la spinta espansiva dell’energia oscura e la forza attrattiva della materia oscura.
Tentativi precedenti di mappare la rete cosmica sono stati realizzati a partire da un modello del giovane Universo e successivamente hanno simulato l’evoluzione del modello nel corso di miliardi di anni. Tuttavia, questo metodo è impegnativo dal punto di vista computazionale e fino ad ora non è riuscito a produrre risultati sufficientemente dettagliati per rappresentare l’Universo vicino. Nel nuovo studio i ricercatori hanno utilizzato un approccio completamente differente, ricorrendo ad algoritmi di machine learning per costruire un modello in grado di utilizzare informazioni su posizione e moto delle galassie per prevedere la distribuzione della materia oscura.
Il team ha realizzato il modello grazie a un vasto progetto di simulazioni galattiche chiamato Illustris-TNG, che include galassie, gas, materia visibile così come materia oscura, e ha identificato quali proprietà delle galassie erano necessarie per prevedere la distribuzione di materia oscura. “Se gli si forniscono informazioni certe, il modello può essenzialmente riempire le lacune sulla base di ciò che ha esaminato in precedenza”, spiega Jeong. “Abbiamo scoperto che includere il moto delle galassie (la loro velocità radiale), in aggiunta alla loro distribuzione, incrementa drasticamente la qualità della mappa e ci permette di ricostruire strutture dettagliate“.
I ricercatori hanno poi applicato il loro modello ai dati reali sull’Universo locale ricavati dal catalogo Cosmicflow-3, contenente informazioni su moto e distribuzione di oltre 17.000 galassie nelle vicinanze della Via Lattea (entro 200 megaparsec). La mappa della rete cosmica risultante, pubblicata su Astrophysical Journal, riproduce le strutture fondamentali note nell’Universo locale, inclusa la regione di spazio contenente la Via Lattea, il Gruppo Locale e l’ammasso di galassie della Vergine, oltre al Vuoto Locale, una regione relativamente vuota nelle vicinanze del nostro Gruppo Locale di galassie.
Inoltre il modello ha permesso di identificare varie nuove strutture che richiedono ulteriori investigazioni, tra cui formazioni filamentari più piccole che connettono le galassie. “Avere a disposizione una mappa locale della rete cosmica apre un nuovo capitolo dello studio cosmologico”, afferma Jeong. “Possiamo studiare come la distribuzione di materia oscura si relaziona ad altri dati e questo può aiutarci a comprendere la natura della materia oscura. Possiamo inoltre studiare direttamente queste strutture filamentari, questi ponti nascosti tra le galassie”. Ad esempio, studiare i filamenti di materia oscura che connettono la Via Lattea ad Andromeda potrebbe fornire indizi importanti sul destino futuro delle due galassie. “Dal momento che la materia oscura domina le dinamiche dell’Universo, essenzialmente determina il nostro destino”, conclude Jeong. “Pertanto possiamo chiedere al computer di sviluppare la mappa per miliardi di anni a venire, per osservare cosa accadrà nell’Universo locale. E possiamo sviluppare il modello indietro nel tempo, per ricostruire la storia del nostro vicinato cosmico”.
Nell’immagine, derivante da simulazioni del progetto IllustrisTNG per ricostruire a computer la struttura e l’evoluzione dell’Universo, una visualizzazione dell’intensità delle onde d’urto nel gas cosmico attorno a strutture di materia oscura collassata (in bianco-arancio).
Credit: IllustrisTNG collaboration
https://phys.org/news/2021-05-local-cosmic-web-dark-reveals.html
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