FORSE SVELATO IL MISTERO DELLA MATERIA (BARIONICA) MANCANTE

Una domanda rimasta finora senza risposta era quella che gli astronomi si facevano intorno a uno dei problemi legati alla cosiddetta “materia mancante”. Non stiamo però parlando di materia oscura, quella forma di materia invisibile e ancora abbastanza misteriosa che – come vedremo meglio più avanti – rappresenta circa il 22% percento della massa dell’universo, ma di particelle, protoni, neutroni ecc… ovvero di materia normale, o “barionica”, come viene altrimenti definita. Secondo le stime, infatti, finora è stata vista solo una frazione di tutta la materia normale che si è formata durante i primi miliardi di anni di vita dell’Universo.

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Un team internazionale di ricercatori ha usato i telescopi spaziali a raggi X Chandra e XMM-Newton per localizzare enormi ammassi di gas nei dintorni del “muro di galassie” che si estende nello Sculptor, a 400 milioni di anni luce dalla Terra.
La visione artistica mostra una piccola parte del “muro”, dove galassie a spirale e ellittiche sono mostrate immerse nel gas intergalattico, che è stato riconosciuto come parte del cosiddetto Warm Hot Intergalactic Medium (WHIM). La scoperta rappresenta la più forte evidenza del fatto che la materia barionica mancante nell’universo locale è confinata in un enorme ragnatela di caldissimo e diffuso gas. L’emissione del gas in X è troppo debole per essere rilevata direttamente, ed è quindi stato necessario evidenziarla misurando l’assorbimento operato dal gas sulla luce (rappresentata in figura dal cono bianco) di una brillante sorgente X posta al di là del “muro”, a due miliardi di anni luce di distanza: un buco nero super massiccio situato nel nucleo di una galassia attiva.

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Dove è finito il resto? Ebbene, questa recente ricerca, condotta da un gruppo di ricercatori utilizzando le osservazioni dei telescopi orbitali X-Ray Chandra della NASA e XMM-Newton dell’ESA, confermerebbe l’idea che la materia mancante si trovi in una gigantesca ragnatela di gas caldo chiamata Cosmic Web (Fig. 1) che si estende per tutto l'Universo; il cosiddetto Warm-Hot Intergalactic Medium, che d'ora il poi chiameremo WHIM.

Fig.1

Una porzione simulata del Cosmic Web. Le par- ti buie corrispondono alle bolle di vuoto. La materia sotto forma di WHIM si addensa ai bordi delle bolle e nei punti di collisione si addensa in galassie. Cortesia Millennium Simulation Project.

Per capire la portata di questa scoperta è necessario risalire alla fine degli anni ‘70, quando il modello di universo in espansione introdotto nel 1927 da Georges Lamaître, successivamente arricchito anche dai lavori di George Gamow sulla nucleosintesi degli elementi, era ormai più che consolidato.
Secondo quel modello, l’universo, pensato come un insieme di spazio-tempo ed energia, si sarebbe formato in un unico atto (poi chiamato ironicamente “Big Bang” proprio da Fred Hoyle, sostenitore accanito insieme ad Einstein della teoria dello stato stazionario). L’origine espansiva era supportata da due fatti: la legge di Hubble formulata nel 1929 e lo spettro della radiazione di fondo cosmico a 2,7 K del 1964.

La legge di Hubble consiste in uno spostamento verso il rosso delle linee di emissione degli spettri galattici, proporzionale alla distanza tra galassia e osservatore. L'effetto poteva essere spiegato sia con un moto proprio di recessione di tutte le galassie dall'osservatore, da scartare per l'eccessiva antropocentricità dell'ipotesi, sia con un'espansione come quella della superficie di un palloncino quando viene gonfiato. La crescita delle distanze "stira" lo spazio allontanando ogni galassia da tutte le altre senza che in realtà si muovano.
L'espansione era compatibile con l'esistenza di un punto d'inizio, una singolarità primordiale, in cui prima del Big Bang sarebbe stata concentrata tutta l'energia e la materia dell'universo.
Le misure nella banda delle micro-onde dello spettro della radiazione di fondo cosmico, scoperto nel 1964 da Penzias e Wilson, erano compatibili con quelle di un corpo nero alla temperatura di 2,7 K. Dato che lo spettro di corpo nero caratterizza la condizione di equilibrio tra radiazione elettromagnetica e materia ad una data temperatura, la radiazione di fondo poteva realmente essere considerata il residuo termico del Big Bang degradato per effetto dello stiramento delle lunghezze d'onda durante l'espansione dello spazio. Un problema però rimaneva aperto. Qual è l'età dell'universo? Quanto tempo è trascorso dalla singolarità iniziale? Un modo per calcolare l'età è conoscere il valore della costante di Hubble il cui reciproco ne fornisce proprio la stima, ma mai costante fu nel corso degli anni più incostante nel mantenere uno stesso valore. Allora il problema poteva essere rovesciato, diventando: data la quantità di materia visibile, quanto avrebbe dovuto valere la costante? Partendo dai modelli basati sulle equazioni della relatività generale di Einstein, il valore della costante di Hubble era legato al valore di densità di materia nell'universo. Più materia, più gravità, più decelerazione nell'espansione, meno materia, meno gravità, meno decelerazione. La stima ottica della quantità di materia visibile era facile da ottenere ma il valore trovato era troppo basso per giustificare l'eccessiva velocità di rotazione osservata sulla periferia di alcune galassie.

Nel 1980 un nuovo tassello venne aggiunto al già complicato puzzle con la cosiddetta Teoria dell'Universo Inflazionario. Secondo Alan Guth e Alexei Starobinsky, terminata la fase di nucleosintesi degli elementi, un'espansione esponenziale prodotta dalla presenza di energia antigravitazionale, detta "energia oscura", portò la velocità di espansione dell'universo a superare la velocità della luce inflazionandolo. Dato che la radiazione elettromagnetica lo aveva già pervaso prima dell'inflazione, ogni sua parte rimase causalmente connessa mantenendo uguale temperatura e densità media.

Lo studio delle osservazioni sui fenomeni di lente gravitazionale, per cui la luce viene deviata dal suo cammino rettilineo in presenza di grandi masse invisibili di materia dando origine a più immagini di una stessa galassia, portò negli anni '90 ad accettare una volta per tutte la presenza nell'universo di "materia oscura". La sua esistenza era anche supportata dalle famose anomalie rotazionali delle galassie. In tempi recenti, l'analisi doppler degli spettri di emissione ha mostrato una rotazione tipica di un "disco rigido", come se altra materia non visibile ne avesse riempito gli spazi e i bordi apparentemente vuoti.

L'universo inflazionario richiede delle precise proporzioni: 4% di materia ordinaria, 22% di materia oscura, 74% di energia oscura. Dato che i modelli tengono conto della presenza dell'energia oscura solo tarmite la costante cosmologica, della sua natura non se ne sa nulla, come poco si sa anche della materia oscura. Di più si dovrebbe invece sapere della materia barionica ma fino ad oggi è in gran parte mancata all'appello, stimolando così una delle più appassionanti sfide della cosmologia sperimentale: ritracciare la materia barionica mancante.

Si stima che la materia visibile del nostro universo sia solo un decimo di quella realmente presente. Fino ad oggi le prove a favore del modello inflazionario sono state principalmente raccolte con la mappatura della radiazione di fondo effettuata nel 1989 dalla sonda COBE (Cosmic Background Explorer) e con più precisione nel 2003 dalla sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). La mappatura e l'esame delle anisotropie hanno confermato lo scenario dell'inflazione. Salvo fluttuazioni quantistiche che possono essere avvenute nel microscopico universo primordiale, l'universo è omogeneo ed isotropo, la materia si addensa ai bordi di bolle vuote organizzandosi nei punti di compressione in ammassi galattici e - contrariamente a quanto si era fino ad ora pensato - l'universo è euclideo, cioè ha mantenuto una densità media di materia uguale alla densità critica prevista: 3 protoni al metro cubo. La materia mancante non può che essere il gas primordiale di barioni e leptoni prodotto nella fase che ha immediatamente preceduto l'inflazione e dal quale sono nate tutte le galassie. Ma dove si trova questo gas? Quello che hanno fatto i ricercatori del gruppo di Fang è cercarlo nelle zone più popolate da galassie.

Osservare la WHIM, nonostante la sua elevata temperatura non è cosa facile. L'emissione X di un gas formato in media da 6 protoni per metro cubo è troppo flebile per gli strumenti di Chandra e Newton, così l'unica possibilità per osservarla era riuscire a "radiografarla" misurando l'eventuale assorbimento degli X emessi da un AGN (Active Galactic Nuclei), un buco nero super massivo (H2356-309) che si trova dietro lo Sculptor Wall - oltre l'AGN della Chioma di Berenice - a 2 miliardi di anni luce dalla Via Lattea. Lo Sculptor Wall è un immenso muro di galassie che si estende per miliardi di anni luce attraverso l'universo. Il fascio di X emessi dall'AGN, intersecando lo Sculptor Wall a 400 milioni di anni luce dalla Via Lattea è in parte assorbito dalla WHIM (Fig.2). L'analisi dei dati raccolti da Chandra e Newton ha evidenziato che gli assorbimenti corrispondono a quelli previsti per ioni ossigeno OVII presenti nel gas intergalattico. L'analisi dei redshift ha anche confermato la compatibilità della distanza della WHIM e dello Sculptor Wall, localizzando così per la prima volta materia barionica e leptonica all'esterno di regioni densamente popolate da galassie.

La WHIM è stata trovata là dove la si cercava. Testimone della materia barionica primordiale di cui è un residuo ancora inutilizzato, pronto per dare origine a nuove galassie, rappresenta la prova ulteriore della natura inflazionaria di un universo simile ad una immensa ragnatela.

Fig. 2

La mappa rappresenta la distribuzione delle galassIe a partire dal punto di osservazione della Via Lattea. La linea azzurra rappresenta lo sviluppo dello “Sculptor Wall”, mentre la linea rossa tratteggiata il fascio degli X emessi dall’AGN che si trova fuori dal campo. Il fascio interseca lo Sculptor Wall a 400 milioni di anni luce dalla Via Lattea.

(M. Auci, Coelum, Anno 14, N. 139, Giugno -Luglio 2010)