Astronomia

La materia oscura è influenzata dalla gravità della materia barionica?

La materia oscura è influenzata dalla gravità della materia barionica?

Per quanto ne so, galassie e ammassi si formano lungo i cosiddetti "filamenti galattici" che sono influenzati da una rete di materia oscura che li organizza in questa posizione nell'universo. Quindi sembra che la materia oscura attiri la materia barionica per una sorta di gravità. Ma è vero anche il contrario, e che la "nostra" massa ha forze gravitazionali sulla materia oscura? E se no, perché va solo in un modo?

In uno studio gli scienziati hanno osservato le quattro galassie in collisione dell'ammasso Abell 3827 e hanno scoperto che uno degli involucri di materia oscura nella galassia dietro di esso racchiude. L'arretrato nel sistema è di 5.000 anni luce (50.000 milioni di chilometri - la sonda spaziale della NASA Voyager impiegherebbe 90 milioni di anni per coprire quella distanza. Si prevede che creerà un certo ritardo tra una galassia e la sua materia oscura associata quando la materia oscura colpisce se stessa, per quanto piccolo, da forze diverse dalla gravità.

Vedi anche https://www.youtube.com/watch?v=qtfTUPhXutQ e http://spacetelescope.org/news/heic1506/


La materia oscura attrae i barioni non solo per un "tipo di gravità", ma semplicemente per gravità. Tutto ciò che ha massa (anche se è solo massa relativistica come la luce) attrae tutto il resto per gravità, e quindi i barioni attraggono anche la materia oscura.

La ragione per cui la materia oscura "organizza" le galassie è solo che ce n'è molto di più, circa 7 volte di più, per essere precisi. Quindi, su larga scala, la dinamica delle galassie è dominata dalla materia oscura. Ma poiché i barioni possono dissipare energia, possono collassare in gruppi - come le nubi molecolari - che sono quindi dominati dai barioni.


Lezione 43: Materia Oscura

D: Dov'è la massa extra se non proviene dalle stelle?

A: Le galassie hanno esteso " aloni scuri "

  • Contiene >90% della massa della galassia
  • più esteso della componente starlight
  • le orbite delle galassie satellitari suggeriscono che potrebbe estendersi fino a 200 kpc o più!

" Missing Mass" . di Fritz Zwicky

    Trovate peculiari velocità di

Zwicky ha suggerito che la "massa mancante" aggiunge ulteriore gravità per tenere insieme l'ammasso.

Materia Oscura in Grappoli

Osservazioni successive hanno mostrato che gli ammassi di galassie sono materia oscura per il 90-99%.

  • Gli ammassi sono pieni di raggi X caldi che emettono gas intergalattico. Senza materia oscura, questo gas si dissiperebbe.
  • La lente gravitazionale delle galassie di fondo da parte degli ammassi richiede materia oscura negli ammassi.

Materia oscura

È "Dark" perché non può essere rilevato direttamente utilizzando la luce (di qualsiasi tipo).

  • Fa ruotare le parti esterne delle galassie più velocemente del previsto dalla loro luce stellare.
  • Fa orbitare le galassie negli ammassi più velocemente del previsto dalla luce stellare totale delle galassie.

Che cos'è?

  • Particelle subatomiche esotiche che interagiscono con la materia solo attraverso la Gravitazione (o forse la Forza Debole)?

Materia Oscura Barionica

  • Nane brune e pianeti delle dimensioni di Giove.
  • Nubi di gas diffuse
  • resti stellari freddi (buchi neri, stelle di neutroni e nane bianche)
  • Palle di neve congelate all'idrogeno

Ricerche con microlenti

  • GR prevede: la gravità dell'oggetto oscuro piega la luce stellare della stella più lontana.
  • Questo crea una "microlente gravitazionale" che ingrandisce momentaneamente la stella mentre passa.

Microlenti gravitazionali

  • L'allineamento casuale tra l'oggetto oscuro e la stella lontana crea una lente gravitazionale.
  • Il movimento sia dell'obiettivo che della stella lontana lo fa spaziare sulla Terra.
  • Mentre l'obiettivo passa, vediamo la stella lontana illuminarsi improvvisamente a tutte le lunghezze d'onda, quindi svanire alla luminosità normale.

Collaborazioni di microlenti

Gli allineamenti casuali sono molto rari.

  • Un certo numero di grandi collaborazioni internazionali stanno monitorando LMC e Galactic Bulge.
  • Finora, hanno trovato collettivamente

Materia oscura non barionica

Particelle fondamentali che interagiscono solo tramite la gravitazione o la forza debole.

Ricerche di materia oscura di particelle

Cerca il rilevamento diretto di particelle di materia oscura.

  • Tentativi di misurare la massa del neutrino
  • Esperimenti Particle Collider per creare nuove particelle massicce fondamentali nelle collisioni.
  • Cerca particelle di "materia oscura fredda" che colpiscono la Terra dallo spazio.

Un suggerimento (molto) radicale:

Alcuni hanno suggerito che la materia oscura non esiste, ma piuttosto la nostra teoria della gravità è sbagliata su larga scala!


Barionificazione – Simulazioni di N-corpi di materia oscura e impatto della gastrofisica

Il modello standard della cosmologia (ΛCDM) ci dice il contenuto di materia dell'universo con squisita precisione. La materia può essere suddivisa in due parti: normale, visibile, materia che include galassie, stelle e gas che conosciamo e amiamo nel cielo notturno, e l'altro pezzo molto più grande, la materia oscura invisibile. La materia visibile è indicata come “barionica” (come in, fatta di barioni) e arriva insieme a tutta la ricca fisica dei fluidi, della termodinamica e della radiazione. Al contrario, la materia oscura (almeno quella fredda) è estremamente semplice. La materia oscura interagisce solo gravitazionalmente e questo semplice fatto consente una simulazione molto accurata della dinamica della materia oscura utilizzando le simulazioni N-corpi della gravità newtoniana.

Le simulazioni di N-corpi di sola materia oscura sono eccellenti per descrivere la formazione di aloni densi di materia oscura, dove avviene la formazione di galassie, ma non ci dicono nulla sulla formazione di galassie o sui suoi effetti, dove la normale materia barionica gioca un ruolo importante. Per catturare con precisione l'intera fisica in gioco, sono necessarie simulazioni cosmologiche idrodinamiche che includano gas, stelle e radiazioni (vedi Figura 1). Tuttavia, anche queste simulazioni “full-hydro” sono fondamentalmente limitate dalle scale di lunghezza più piccole che possono essere risolte nella simulazione (spesso dell'ordine di 1 kpc – per riferimento, la stella più vicina al sistema solare è circa 1 pc lontano). Di conseguenza, non possono catturare tutti i dettagli degli effetti su piccola scala che guidano i deflussi di gas (o “feedback“) tramite esplosioni di supernova o nuclei galattici attivi (AGN). La soluzione moderna a questo è usare il cosiddetto modelli di sottogriglia, che catturano approssimativamente l'effetto della fisica su piccola scala che non può essere risolto.

Figura 1: L'impatto visivo dei barioni sulla distribuzione della materia oscura. Entrambi i pannelli mostrano le distribuzioni spaziali della materia oscura da: Sinistra: solo materia oscura, Giusto: e simulazioni full-hydro. Quando si include la fisica barionica, il profilo di densità in un dato alone di materia oscura appare più uniforme e ha meno piccoli aloni. Adattato da Garrison-Kimmel et al. 2017.

L'articolo di oggi si occupa dell'effetto dei barioni – e in particolare del feedback – sulla distribuzione della materia oscura. Potresti aver sentito dire che viviamo nell'era della cosmologia di precisione e, sorprendentemente, i cosmologi ora devono preoccuparsi degli effetti a livello percentuale nei loro modelli della distribuzione della densità della materia oscura su scale di lunghezza relativamente piccole. Per raggiungere questo livello di precisione, i modelli e le simulazioni devono tenere conto dell'impatto dei barioni sulla distribuzione della materia oscura, che può essere disturbata gravitazionalmente da qualcosa come un getto AGN. Tali disturbi non sono presi in considerazione nelle simulazioni di sola materia oscura ampiamente utilizzate nelle analisi cosmologiche, di solito perché le simulazioni idroelettriche sono astronomicamente più costose dal punto di vista computazionale di quelle di sola materia oscura. Questa differenza di costo è così enorme che sarebbe impossibile utilizzare solo simulazioni idroelettriche nelle analisi cosmologiche. Di fronte a questo dilemma, cosa facciamo?

Correzione barionica

Questi autori suggeriscono una via da seguire prendendo la densità della materia emessa nella simulazione della sola materia oscura e tenendo conto dei barioni attraverso correzioni del profilo dell'alone che influiscono sulle statistiche misurate. Lo spettro di potenza della materia P(k) è la statistica riassuntiva primaria utilizzata per sondare la distribuzione della densità della materia per informazioni sui parametri cosmologici fondamentali. Al suo centro, lo spettro di potenza della materia ti dice approssimativamente quanto è probabile che la materia si accumuli gravitazionalmente su una certa scala di lunghezza. È scritto in funzione del numero d'onda K, che puoi pensare approssimativamente come una lunghezza inversa.

Per misurare l'impatto dell'inclusione della fisica idrodinamica nelle simulazioni su questa statistica centrale, gli autori modellano l'impatto di vari componenti influenzati dai barioni sul profilo di densità dell'alone della materia oscura (vedi, ad esempio, questo astrobite per alcune discussioni sui profili dell'alone). Aggiungendo profili stellari e di gas, gli autori modificano il profilo di densità degli aloni di sola materia oscura alla vaniglia. figura 2 mostra l'impatto di ciascuno di questi componenti individualmente sullo spettro di potenza della materia attraverso il rapporto tra la potenza calcolata dalle simulazioni con l'idrodinamica e la potenza calcolata con le sole simulazioni di sola materia oscura.

Figura 2: Figura 6 del documento attuale. Il rapporto tra la statistica riassuntiva di scelta (lo spettro di potenza della materia) per le simulazioni idrodinamiche e le simulazioni di sola materia oscura (DMO). Qui sono elencati i componenti idrodinamici del modello e tutti contribuiscono a una soppressione simile a un cucchiaio dello spettro di potenza della sola materia oscura. Questa soppressione è più forte ad alto numero d'onda high K, o su piccole scale di lunghezza.

In dettaglio, le componenti del modello tengono conto di quattro effetti principali:

  1. Gas legato alla gravità (linea tratteggiata) – gas caldo che si aggira all'interno dell'alone e produce raggi X.
  2. Gas espulso (linea tratteggiata sottile) – gas che è stato espulso da effetti di feedback, come i deflussi di AGN.
  3. Stelle galattiche (linea tratteggiata) – gas che si è formato in stelle all'interno della galassia centrale
  4. “Rilassamento” della materia oscura (ampia linea tratteggiata) – o come la materia oscura risponde dinamicamente a tutti gli effetti di cui sopra contraendosi o espandendosi radialmente.

L'effetto netto (linea continua) di tutti questi contributi è una soppressione complessiva nello spettro di potenza della materia ad alto numero d'onda K , o a piccole scale di lunghezza. Questa soppressione mostra che su piccole scale, le simulazioni di sola materia oscura sono significativamente in disaccordo con le simulazioni idroelettriche, con un disallineamento fino al 20% dovuto alla fisica barionica! Gli autori notano che il gas espulso è l'effetto più importante in generale, ma con la componente stellare che è particolarmente dominante su piccola scala (l'aumento del rapporto a K


Materia oscura:

Confrontando le stime di massa con la quantità di luce osservata dalle galassie e con l'abbondanza di elementi leggeri, c'è un problema con la frazione della massa dell'Universo che si trova nella materia normale o nei barioni. La frazione di elementi leggeri indica che la densità dell'Universo in barioni è solo dal 2 al 4% di quella che misuriamo come densità osservata. Il resto della massa sembra essere "mancante", il che significa inosservato o buio.

Quanto dell'Universo sia esattamente sotto forma di materia oscura è un mistero e difficile da determinare, ovviamente perché non è visibile. Deve essere dedotto dai suoi effetti gravitazionali sulla materia luminosa nell'Universo (stelle e gas) ed è solitamente espresso come rapporto massa-luminosità (M/L). Un alto M/L indica molta materia oscura, un basso M/L indica che la maggior parte della materia è sotto forma di materia barionica, stelle e resti stellari più gas.

Un punto importante per lo studio della materia oscura è come è distribuita. Se è distribuito come la materia luminosa nell'Universo, la maggior parte di essa è nelle galassie. Tuttavia, gli studi di M/L per una gamma di scale mostrano che la materia oscura diventa più dominante su scale più grandi.

Ancora più importante, su scale molto grandi di 100 Mpc (Mpc = megaparsec, un milione di parsec e kpc = 1000 parsec) la quantità di materia oscura dedotta è vicina al valore necessario per chiudere l'Universo. Quindi, è per due ragioni che il problema della materia oscura è importante, una per determinare qual è la natura della materia oscura, è una nuova forma di materia sconosciuta?, la seconda è per determinare se la quantità di materia oscura è sufficiente per chiudere l'Universo.


La “D-stella Hexaquark” è la particella di materia oscura?

Dagli anni '60, gli astronomi hanno teorizzato che tutta la materia visibile nell'Universo (alias barionica o materia luminosa) costituisce solo una piccola frazione di ciò che è effettivamente presente. Affinché la teoria della gravità predominante e testata nel tempo funzioni (come definita dalla Relatività Generale), gli scienziati hanno dovuto postulare che circa l'85% della massa nell'Universo sia costituito da "Materia Oscura" 8221.

Nonostante molti decenni di studio, gli scienziati devono ancora trovare alcuna prova diretta della materia oscura e della particella costituente e le sue origini rimangono un mistero. Tuttavia, un team di fisici dell'Università di York nel Regno Unito ha proposto una nuova particella candidata scoperta solo di recente. Conosciuto come esaquark d-star, questa particella potrebbe aver formato la “Materia Oscura” nell'Universo durante il Big Bang.

Il team responsabile era composto dal Dr. Mikhail Bashkanov e dal Professor Daniel Watts del Dipartimento di Fisica dell'Università di York. In uno studio recentemente pubblicato su Journal of Physics G: Fisica nucleare e delle particelle, la coppia ha calcolato le proprietà degli esaquark di d-star come potenziali nuovi candidati per la materia oscura.

Gli scienziati sanno che la materia oscura esiste a causa della sua interazione tramite la gravità con la materia visibile come stelle e pianeti. Credito: Università di York

L'esaquark è un esempio di condensato di Bose-Einstein, uno speciale “quinto stato della materia” che si forma tipicamente quando basse densità di particelle di bosone vengono raffreddate vicino allo zero assoluto. Sono composti da sei quark, che generalmente si combinano a tre per formare protoni e neutroni, per creare una particella bosonica. Ciò significa che la presenza di più d-star può portare a combinazioni che produrranno cose diverse da protoni e neutroni.

Per anni, l'esistenza di esaquark di d-star è stata puramente teorica fino a quando gli esperimenti condotti nel 2011 (e annunciati nel 2014) hanno indicato la possibile rilevazione della particella. Il rilevamento è avvenuto a un livello di energia di 2380 MeV ed è durato solo una frazione di secondo (10 ± 23 secondi). Il gruppo di ricerca di York suggerisce che queste sono simili a come sarebbero state le condizioni poco dopo il Big Bang.

In questo momento, si avventurano, molti esaquark di d-star potrebbero essersi raggruppati mentre l'Universo si raffreddava e si espandeva per formare il "quinto stato della materia". Come ha detto il prof. Watts in un recente comunicato stampa dell'Università di York:

“L'origine della materia oscura nell'universo è una delle domande più grandi della scienza e che, fino ad ora, ha lasciato un vuoto. I nostri primi calcoli indicano che i condensati di d-stelle sono un nuovo possibile candidato per la materia oscura e questa nuova possibilità sembra meritevole di ulteriori indagini più dettagliate. Il risultato è particolarmente entusiasmante poiché non richiede concetti nuovi per la fisica

Impressione artistica di due barioni, composti da tre quark ciascuno, che si combinano per formare un esaquark. Credito: Università di Edimburgo

In sostanza, i loro risultati hanno indicato che durante i primi istanti dopo il Big Bang, mentre il cosmo si raffreddava lentamente, esaquark d*(2830) stabili avrebbero potuto formarsi accanto alla materia barionica. Inoltre, i loro risultati indicano che il tasso di produzione di questa particella sarebbe stato sufficiente a rappresentare l'85% della massa dell'Universo che si ritiene sia materia oscura.

I ricercatori ora intendono collaborare con scienziati in Germania e negli Stati Uniti per testare la loro teoria e cercare esaquark di d-star nel cosmo. Hanno già in mente alcune possibili firme astronomiche, che hanno presentato nel loro recente studio. Inoltre, sperano di creare queste particelle subatomiche in un ambiente di laboratorio per vedere se si comportano come previsto. Tutto questo sarà oggetto dei loro prossimi studi.

"Il prossimo passo per stabilire questo nuovo candidato alla materia oscura sarà quello di ottenere una migliore comprensione di come interagiscono le d-stelle "quando si attraggono e quando si respingono", ha affermato il dott. Bashkanov. “Stiamo conducendo nuove misurazioni per creare d-stelle all'interno di un nucleo atomico e vedere se le loro proprietà sono diverse da quando si trovano nello spazio libero.”


Materia oscura

A differenza della materia normale, la materia oscura non interagisce con la forza elettromagnetica. Ciò significa che non assorbe, riflette o emette luce, rendendolo estremamente difficile da individuare. Infatti, i ricercatori sono riusciti a dedurre l'esistenza della materia oscura solo dall'effetto gravitazionale che sembra avere sulla materia visibile. La materia oscura sembra superare la materia visibile all'incirca sei a uno, costituendo circa il 27% dell'universo. Ecco un fatto che fa riflettere: la materia che conosciamo e che costituisce tutte le stelle e le galassie rappresenta solo il 5% del contenuto dell'universo! Ma cos'è la materia oscura? Un'idea è che potrebbe contenere "particelle supersimmetriche" - particelle ipotizzate che sono partner di quelle già note nel Modello Standard. Gli esperimenti al Large Hadron Collider (LHC) potrebbero fornire indizi più diretti sulla materia oscura.

Molte teorie dicono che le particelle di materia oscura sarebbero abbastanza leggere da essere prodotte all'LHC. Se fossero stati creati all'LHC, sarebbero fuggiti attraverso i rivelatori inosservati. Tuttavia, porterebbero via energia e quantità di moto, quindi i fisici potrebbero dedurre la loro esistenza dalla quantità di energia e momento "mancante" dopo una collisione. I candidati alla materia oscura sorgono frequentemente nelle teorie che suggeriscono la fisica oltre il Modello Standard, come la supersimmetria e le dimensioni extra. Una teoria suggerisce l'esistenza di una "valle nascosta", un mondo parallelo fatto di materia oscura che ha ben poco in comune con la materia che conosciamo. Se una di queste teorie si rivelasse vera, potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere meglio la composizione del nostro universo e, in particolare, il modo in cui le galassie stanno insieme.


Questo è (probabilmente) l'unico modo in cui la materia oscura interagisce con la materia ordinaria

La materia oscura ha portato gli scienziati a fare un po' la caccia all'oca negli ultimi tempi. Nuove e più accurate misurazioni di un gruppo di galassie in collisione sembrano indicare che la sostanza misteriosa probabilmente interagisce con se stessa e con la materia ordinaria solo attraverso la gravità, invertendo le conclusioni che gli scienziati avevano tratto dalle osservazioni di tre anni prima.

La materia oscura rappresenta circa il 27% del contenuto dell'universo, ma gli scienziati sanno ancora molto poco su cosa sia realmente. Non emette né riflette la luce, rendendo molto difficile lo studio. La sua gravità può, tuttavia, piegare il percorso della luce in un fenomeno noto come lente gravitazionale, che ha permesso agli astronomi di accertare che là fuori c'è qualcosa.

Tre anni fa, un team di ricercatori ha utilizzato il telescopio spaziale Hubble per osservare le collisioni di galassie nell'ammasso Abell 3827, situato a circa 1,3 miliardi di anni luce dalla Terra. La materia oscura delle galassie è apparsa sfalsata dalla materia visibile nella collisione, il che secondo gli scienziati potrebbe indicare che la materia oscura potrebbe sentire altre forze oltre alla gravità. [Materia oscura ed energia oscura: il mistero spiegato (Infografica)]

Lo stesso gruppo di scienziati ha rivisitato questa osservazione per un nuovo studio con l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Cile. Il potente telescopio è stato in grado di rilevare dettagli che l'osservazione di Hubble non aveva colto: luce infrarossa distorta da una galassia sullo sfondo. I nuovi dati rivelano la posizione della materia oscura precedentemente non rilevata intorno alla collisione.

"Abbiamo ottenuto una visione a risoluzione più alta della galassia lontana usando ALMA rispetto anche al telescopio spaziale Hubble", ha detto in una dichiarazione Liliya Williams, ricercatrice dell'Università del Minnesota e co-autrice del nuovo lavoro. "La vera posizione della materia oscura è diventata più chiara rispetto alle nostre precedenti osservazioni".

La nuova immagine che è emersa indica che la maggior parte della materia oscura delle galassie è rimasta con loro durante la collisione. Ciò suggerisce che la materia oscura risente esclusivamente degli effetti della gravità o che interagisce solo debolmente tramite altre forze. In alternativa, l'ammasso potrebbe muoversi verso la Terra, nel qual caso non ci aspetteremmo di vedere alcuno spostamento laterale nella materia oscura, hanno affermato gli scienziati nella dichiarazione. Se così fosse, la materia oscura si sarebbe spostata davanti o dietro l'ammasso, rendendo difficile l'individuazione dell'offset. Il team annuncerà i risultati il ​​6 aprile alla conferenza della Settimana europea dell'astronomia e delle scienze spaziali a Liverpool, in Inghilterra.

Gli astronomi di tutto il mondo continuano a guardare al cielo per trovare indizi sulla natura della materia oscura. Negli ultimi anni, molte nuove ipotesi si sono evolute per spiegare la sostanza poiché gli scienziati utilizzano modelli informatici per avere un'idea migliore di cosa cercare. "Diverse proprietà della materia oscura lasciano segni rivelatori", ha detto nella dichiarazione Andrew Robertson, ricercatore della Durham University nel Regno Unito e coautore dello studio.

"Un test particolarmente interessante è che le interazioni della materia oscura [renderebbero] i gruppi di materia oscura più sferici", ha aggiunto Robertson. "Questa è la prossima cosa che cercheremo."

Il nuovo lavoro apparirà sulla rivista Monthly Notice of the Royal Astronomical Society.


La materia oscura è influenzata dalla gravità della materia barionica? - Astronomia

Ora che è stato dimostrato che i neutrini hanno una massa a riposo, sono ancora una volta candidati a costituire la materia oscura?

La massa a riposo diversa da zero del neutrino è stata proposta per la prima volta per spiegare perché in un esperimento negli anni '60 furono rilevati molti meno neutrini solari del previsto. Il numero di neutrini che raggiungono la Terra dal Sole può essere previsto in base alla conoscenza che abbiamo delle reazioni di fusione solare che creano i neutrini. Quando le previsioni non corrispondevano alle osservazioni, c'erano alcune possibili spiegazioni. Entrambi i modelli del Sole erano errati, la conoscenza dei neutrini era imprecisa o entrambe le cose. La maggior parte degli sforzi si è concentrata sull'opzione due poiché c'erano molte altre osservazioni del Sole che supportavano gli attuali modelli solari. Per spiegare il problema del neutrino solare, una teoria è che i neutrini subiscono oscillazioni. In poche parole, i neutrini hanno gusti diversi e la probabilità che un neutrino sia un sapore particolare può cambiare man mano che la particella si propaga. Se queste oscillazioni si verificano effettivamente (e ci sono esperimenti che credono di averle rilevate), allora il neutrino dovrebbe avere una massa a riposo.

Quindi, come si adatta tutto questo al mistero della materia oscura? I neutrini sono un candidato per la materia oscura, ma solo se hanno una massa a riposo diversa da zero. I neutrini interagiscono solo attraverso la forza debole e la gravità, il che spiegherebbe che non vediamo la materia oscura non può essere rilevata attraverso le interazioni con la luce come la materia barionica (normale). Ci sono anche così tanti neutrini che anche se avessero una massa solo un cinquemillesimo di quella dell'elettrone, la massa di tutti i neutrini nell'universo potrebbe compensare la materia mancante. I neutrini sono i principali candidati nella teoria della materia oscura calda che, come spiegato qui, è considerata una possibile spiegazione per la materia oscura in combinazione con la teoria della materia oscura fredda e non da sola.

Questa pagina è stata aggiornata l'ultima volta il 27 giugno 2015.

Circa l'autore

Sabrina Stierwalt

Sabrina è stata una studentessa laureata alla Cornell fino al 2009, quando si è trasferita a Los Angeles per diventare ricercatrice al Caltech. Ora studia fusioni di galassie presso l'Università della Virginia e il National Radio Astronomy Observatory a Charlottesville. Puoi anche trovarla rispondere alle domande di scienza nel suo podcast settimanale come Everyday Einstein.


Le prime galassie dell'universo sono state meno influenzate dalla materia oscura

Nuove osservazioni del Very Large Telescope (VLT) dell'ESO indicano che le galassie massicce che formano stelle durante l'epoca di picco della formazione delle galassie, 10 miliardi di anni fa, erano dominate dalla materia normale. Questo è in contrasto con le galassie odierne, dove gli effetti della materia oscura sembrano essere molto maggiori.

Rappresentazione schematica delle galassie a disco rotante nell'Universo primordiale (a destra) e ai giorni nostri (a sinistra). Nuove osservazioni del VLT suggeriscono che tali massicce galassie a disco di formazione stellare nell'Universo primordiale erano meno influenzate dalla materia oscura (mostrata in rosso), poiché era meno concentrata. Di conseguenza le parti esterne delle galassie lontane ruotano più lentamente rispetto a regioni comparabili di galassie nell'Universo locale. Credito immagine: ESO / L. Calçada.

Vediamo la materia barionica (normale) come stelle brillanti, gas incandescente e nuvole di polvere. Ma la materia oscura non emette, assorbe o riflette la luce e può essere osservata solo attraverso i suoi effetti gravitazionali.

La presenza di materia oscura può spiegare perché le parti esterne delle galassie a spirale vicine ruotano più rapidamente di quanto ci si aspetterebbe se fosse presente solo la materia normale che possiamo vedere direttamente.

Ora, il Dr. Reinhard Genzel del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics e i coautori hanno utilizzato lo spettrografo multioggetto in banda K (KMOS) e lo spettrografo per osservazioni di campo integrato nel vicino infrarosso (SINFONI) del VLT per misurare la rotazione di sei massicce galassie che formano stelle nel lontano Universo, al culmine della formazione delle galassie 10 miliardi di anni fa.

Ciò che il team ha scoperto è stato intrigante: a differenza delle galassie a spirale nell'Universo moderno, le regioni esterne di queste galassie lontane sembrano ruotare più lentamente rispetto alle regioni più vicine al nucleo, suggerendo che è presente meno materia oscura del previsto.

"Sorprendentemente, le velocità di rotazione non sono costanti, ma diminuiscono ulteriormente nelle galassie", ha detto il dott. Genzel.

"Ci sono probabilmente due cause per questo", ha aggiunto.

"In primo luogo, la maggior parte di queste prime galassie massicce sono fortemente dominate dalla materia normale, con la materia oscura che svolge un ruolo molto più piccolo rispetto all'Universo Locale".

"In secondo luogo, questi primi dischi erano molto più turbolenti delle galassie a spirale che vediamo nel nostro vicinato cosmico".

Entrambi gli effetti sembrano diventare più marcati man mano che gli astronomi guardano sempre più indietro nel tempo, nell'Universo primordiale.

Ciò suggerisce che da 3 a 4 miliardi di anni dopo il Big Bang, il gas nelle galassie si era già efficacemente condensato in dischi piatti e rotanti, mentre gli aloni di materia oscura che li circondavano erano molto più grandi e più estesi.

Apparentemente ci sono voluti miliardi di anni in più perché anche la materia oscura si condensasse, quindi il suo effetto dominante è visibile solo sulle velocità di rotazione dei dischi di galassie oggi.

Questa spiegazione è coerente con le osservazioni che mostrano che le prime galassie erano molto più ricche di gas e compatte rispetto alle galassie di oggi.

Philipp Lang et al. 2017. Curve di rotazione esterna in caduta di galassie che formano stelle a 0,6 < z < 2,6 sondate con KMOS 3D e SINS/zC-SINF.


“Chiave per comprendere l'universo” –La strana storia delle galassie che mancano di materia oscura

"La materia oscura è la chiave per comprendere l'universo", afferma l'astrofisico Paul Davies. “Dopo il big bang che ha creato l'universo 13,7 miliardi di anni fa, la materia si è diffusa uniformemente nello spazio, ma aiutata dal potere gravitante della componente oscura, la materia ordinaria è stata trascinata in grumi, che in seguito si sono evoluti in galassie che hanno generato stelle, , almeno in un caso di cui siamo a conoscenza, la vita”.

L'osservazione di Davies, condivisa dalla maggior parte degli scienziati, potrebbe essere stata capovolta dalla scoperta nel novembre 2019 da parte degli astronomi degli Osservatori astronomici nazionali dell'Accademia cinese delle scienze (NAOC), dell'Università di Pechino e dell'Università di Tsinghua che, cercando il cielo di galassie ancora sconosciute che sembrano mancare della consueta componente della materia oscura, ha identificato 19 galassie che potrebbero violare la teoria più fondamentale di come si è formato per la prima volta l'universo.

Confonde il modello di formazione galattica standard

"Questo risultato è molto difficile da spiegare utilizzando il modello standard di formazione delle galassie", ha affermato l'autore principale Qi Guo dell'Accademia cinese delle scienze in un comunicato stampa sulla speciale popolazione di galassie nane che potrebbe consistere principalmente di barioni entro raggi fino a decine di migliaia di anni luce. Ciò contrasta con la normale aspettativa che tali regioni dovrebbero invece essere dominate dalla materia oscura.

Nella cosmologia standard, l'Universo è dominato dalla materia oscura fredda e dall'energia oscura, mentre i barioni occupano solo il 4,6% in massa. Le galassie si formano ed evolvono in sistemi dominati dalla materia oscura. Nei sistemi ad alta massa, la frazione barionica può raggiungere il valore universale, cioè 4,6%. Nei sistemi a bassa massa, la frazione barionica può essere molto più bassa a causa del loro potenziale gravitazionale poco profondo.

Le galassie nane satellite nel nostro Gruppo Locale risultano essere dominate dalla materia oscura fino a raggi di poche migliaia di anni luce. Tuttavia, gli studi statistici sulla dinamica delle galassie nane al di fuori del Gruppo Locale in precedenza erano stati ostacolati dall'estrema debolezza di tali sistemi. ma i dati multi-lunghezza d'onda hanno recentemente reso possibili tali studi, tuttavia.

Sfruttando il rilascio del 40% dei dati dal catalogo di Arecibo Legacy Fast (ALFA) e il Seventh Data Release della Sloan Digital Sky Survey, un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Guo Qi della NAOC ha trovato 19 galassie nane che sono dominati da barioni a raggi ben oltre i loro raggi semiottici (tipicamente poche migliaia di anni luce). Normalmente, il rapporto di massa tra materia oscura e barione raggiunge 10-1000 per le galassie nane “tipiche”. In particolare, la maggior parte di queste galassie nane dominate dai barioni sono galassie isolate, libere dall'influenza delle galassie luminose vicine e degli ambienti ad alta densità.

"Questo risultato è molto difficile da spiegare utilizzando il modello standard di formazione delle galassie nel contesto della cosmologia delle concordanze, e quindi incoraggia le persone a rivisitare la natura della materia oscura", ha affermato il prof. GUO.

Invece del modello standard di materia oscura fredda, un modello di materia oscura calda o un modello di materia oscura fuzzy potrebbe essere più in linea con la formazione di questa particolare popolazione di galassie nane. In alternativa, possono essere responsabili anche alcuni processi astrofisici estremi.
Sono necessarie ulteriori osservazioni per comprendere la formazione di queste particolari galassie nane dominate dai barioni.

"Pensavamo che ogni galassia avesse materia oscura e che la materia oscura fosse il modo in cui una galassia inizia", ​​ha detto Pieter van Dokkum, professore di astronomia della famiglia Sol Goldman di Yale e autore principale dello studio del 2018 sulla rivista Nature, suggerendo che la galassia mostra per il prima volta che la materia oscura non è sempre associata alla materia tradizionale su scala galattica, escludendo diverse teorie attuali secondo cui la materia oscura non è una sostanza ma semplicemente una manifestazione delle leggi di gravità su scale cosmiche.

"Questa sostanza invisibile e misteriosa è l'aspetto più dominante di qualsiasi galassia", ha detto van Dokkum. “Quindi trovare una galassia senza di essa è inaspettato. Sfida le idee standard su come pensiamo che funzionino le galassie e mostra che la materia oscura è reale. Ha una sua esistenza separata dagli altri componenti delle galassie. Questo risultato suggerisce anche che potrebbe esserci più di un modo per formare una galassia».

Gli indizi di Hubble risolvono il mistero – "Interruzione delle maree"

New 2020 data from the Hubble Space Telescope explains the reason behind the missing dark matter in NGC 1052-DF4, which resides 45 million light-years from Earth. Astronomers discovered that the missing enigmatic matter can be explained by the effects of tidal disruption from gravity forces of the neighboring massive galaxy NGC 1035 that are stripping NGC 1052-DF4 of dark matter. while the stars feel the effects of the interaction with another galaxy at a later stage.

The discovery of evidence to support the mechanism of tidal disruption as the explanation for the galaxy’s missing dark matter has not only solved an astronomical conundrum, but has also brought a sigh of relief to astronomers. Without it, scientists would be faced with having to revise our understanding of the laws of gravity.

“This discovery reconciles existing knowledge of how galaxies form and evolve with the most favorable cosmological model,” said Mireia Montes of the University of New South Wales in Australia who led an international team of astronomers to study the galaxy using deep optical imaging. They discovered that the missing dark matter can be explained by the effects of tidal disruption.

Until now, said Montes the removal of dark matter in this way has remained hidden from astronomers as it can only be observed using extremely deep images that can reveal extremely faint features. “We used Hubble in two ways to discover that NGC 1052-DF4 is experiencing an interaction,” explained Montes. “This includes studying the galaxy’s light and the galaxy’s distribution of globular clusters.”

At the end of the day, the nature of dark matter remains a huge unsolved enigma. “The nature of dark matter is one of the biggest mysteries in science and we need to use any related new data to tackle it,” says astronomer Avi Loeb with the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Image credit: top of page shows that dark matter in the universe is distributed as a network of gigantic dense (white) and empty (dark) regions, where the largest white regions are about the size of several Earth moons. Van Waerbeke/Heymans/CFHTLens collaboration.

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