La materia oscura precede la materia normale nella collisione di mega ammassi di galassie

Roma – In una collisione avvenuta tra due enormi ammassi di galassie le vaste nubi di materia oscura degli ammassi si sono scisse dalla cosiddetta materia normale. Le nuove osservazioni, rilevate da una squadra internazionale di astronomi, pubblicate su The Astrophysical Journal, sono le prime a sondare direttamente il disaccoppiamento delle velocità della materia oscura e di quella normale. I due ammassi contengono ciascuno migliaia di galassie e si trovano a miliardi di anni luce dalla Terra. Mentre si attraversavano a vicenda, la materia oscura, una sostanza invisibile che sente la forza di gravità ma non emette luce, ha preceduto la materia normale. Gli ammassi di galassie sono tra le strutture più grandi dell’universo, incollate tra loro dalla forza di gravità. Solo il 15% della massa di questi ammassi è costituito da materia normale, la stessa che costituisce i pianeti, le persone e tutto ciò che vediamo intorno a noi. Di questa materia normale, la maggior parte è composta da gas caldo, mentre il resto è costituito da stelle e pianeti. Il restante 85% della massa dell’ammasso è costituito da materia oscura. Durante la lotta che ha avuto luogo tra gli ammassi, noti collettivamente come MACS J0018.5+1626, le singole galassie sono rimaste in gran parte indenni poiché tra loro vi è molto spazio. Ma, quando gli enormi depositi di gas tra le galassie, ovvero la materia normale, si sono scontrati, il gas è diventato turbolento e surriscaldato. Mentre tutta la materia, compresa quella normale e quella oscura, interagisce tramite la gravità, la materia normale interagisce anche tramite l’elettromagnetismo, che la rallenta durante la collisione. così, mentre la materia normale si è impantanata, le pozze di materia oscura all’interno di ciascun ammasso hanno navigato. “Pensate a una collisione massiccia tra più camion che trasportano sabbia”, ha suggerito Emily Silich, autrice principale di un nuovo studio. “La materia oscura è come la sabbia e vola avanti”, ha continuato Silich, che è una studentessa laureata che lavora con Jack Sayers, professore di ricerca in fisica al Caltech e ricercatore principale dello studio. La scoperta è stata condotta utilizzando i dati dell’Osservatorio submillimetrico del Caltech, che è stato recentemente rimosso dal suo sito di Maunakea nelle Hawaii per essere trasferito in Cile, dell’Osservatorio W.M. Keck Observatory su Maunakea, il Chandra X-ray Observatory della NASA, il telescopio spaziale Hubble della NASA, l’Osservatorio spaziale Herschel e l’osservatorio Planck dell’Agenzia Spaziale Europea, ormai in pensione, i cui centri scientifici affiliati alla NASA avevano sede presso l’IPAC del Caltech, e l’Atacama Submillimeter Telescope Experiment in Cile. Alcune osservazioni sono state effettuate decenni fa, mentre l’analisi completa di tutti i set di dati è stata effettuata negli ultimi due anni. Questa separazione tra materia oscura e normale è già stata osservata in passato, soprattutto nell’ammasso Bullet. In quella collisione, si può vedere chiaramente il gas caldo in ritardo rispetto alla materia oscura dopo che i due ammassi di galassie si sono attraversati l’un l’altro. La situazione che si è verificata in MACS J0018.5+1626, in seguito denominato MACS J0018.5, è simile, ma l’orientamento della fusione è ruotato di circa 90 gradi rispetto a quello dell’ammasso Bullet. In altre parole, uno degli ammassi massicci di MACS J0018.5 sta volando quasi dritto verso la Terra, mentre l’altro si sta allontanando. Questo orientamento ha fornito ai ricercatori un punto di osservazione unico da cui, per la prima volta, è stato possibile mappare la velocità della materia oscura e della materia normale e chiarire come si disaccoppiano l’una dall’altra durante la collisione di un ammasso di galassie. “Con l’ammasso Bullet Cluster, è come se fossimo seduti in una tribuna d’onore a guardare una gara automobilistica e fossimo in grado di catturare splendide istantanee delle auto che si muovono da sinistra a destra sul rettilineo”, ha dichiarato Sayers. “Nel nostro caso, è più come se fossimo sul rettilineo con una pistola radar, davanti a un’auto che ci viene incontro e riuscissimo a ricavarne la velocità”, ha proseguito Sayers. Per misurare la velocità della materia normale, o gas, nell’ammasso, i ricercatori hanno utilizzato un metodo di osservazione noto come effetto cinetico Sunyaev-Zel’dovich, SZ. Sayers e i suoi colleghi hanno effettuato la prima rilevazione osservativa dell’effetto SZ cinetico su un singolo oggetto cosmico, un ammasso di galassie denominato MACS J0717, nel 2013, utilizzando i dati del CSO, con le prime osservazioni dell’effetto SZ su MACS J0018.5 risalgono al 2006.  L’effetto SZ cinetico si verifica quando i fotoni provenienti dall’universo primordiale, il fondo cosmico a microonde, CMB, si disperdono negli elettroni del gas caldo mentre si dirigono verso di noi sulla Terra. I fotoni subiscono uno spostamento, chiamato spostamento Doppler, dovuto ai movimenti degli elettroni nelle nubi di gas lungo la nostra linea di vista. Misurando la variazione di luminosità della CMB dovuta a questo spostamento, i ricercatori possono determinare la velocità delle nubi di gas all’interno degli ammassi di galassie. “Gli effetti Sunyaev-Zeldovich erano ancora uno strumento osservativo molto nuovo quando Jack e io abbiamo acceso per la prima volta una nuova fotocamera del CSO sugli ammassi di galassie nel 2006, e non avevamo idea che ci sarebbero state scoperte come questa”, ha affermato Sunil Golwala, professore di fisica e relatore del dottorato di Silich.  “Ci aspettiamo una serie di nuove sorprese quando metteremo gli strumenti di nuova generazione sul telescopio nella sua nuova sede in Cile”, ha aggiunto Golwala. Nel 2019, i ricercatori avevano già effettuato queste misurazioni cinetiche SZ in diversi ammassi di galassie, che indicavano la velocità del gas, o della materia normale. Ma in questa fase della ricerca, i ricercatori avevano una comprensione limitata degli orientamenti degli ammassi. Sapevano solo che uno di essi, MACS J0018.5, mostrava segni di qualcosa di strano: il gas caldo, o materia normale, viaggiava in direzione opposta alla materia oscura. “Avevamo questa stranezza completa con velocità in direzioni opposte e all’inizio abbiamo pensato che potesse essere un problema dei nostri dati; anche i nostri colleghi che simulano gli ammassi di galassie non sapevano cosa stesse succedendo”, ha raccontato Sayers. “Ma poi Emily si è messa in gioco e ha risolto tutto”, ha aggiunto Sayers. Per una parte della sua tesi di dottorato, la Silich ha affrontato l’enigma di MACS J0018.5. Ha utilizzato i dati del Chandra X-ray Observatory per rivelare la temperatura e la posizione del gas negli ammassi, nonché il grado di shock del gas. “Queste collisioni di ammassi sono i fenomeni più energetici dai tempi del Big Bang”, ha spiegato Silich. “Chandra misura le temperature estreme del gas e ci dice l’età della fusione e quanto recentemente gli ammassi si sono scontrati”, ha precisato Sayers. La squadra di astronomi ha anche collaborato con Adi Zitrin dell’Università Ben-Gurion del Negev in Israele per utilizzare i dati di Hubble per mappare la materia oscura con un metodo noto come lensing gravitazionale. Inoltre, John ZuHone, del Center for Astrophysics di Harvard e dello Smithsonian, ha aiutato il gruppo di ricerca a simulare lo scontro dell’ammasso. Queste simulazioni sono state utilizzate in combinazione con i dati dei vari telescopi per determinare la geometria e lo stadio evolutivo dell’incontro tra gli ammassi. Gli scienziati hanno scoperto che, prima della collisione, gli ammassi si muovevano l’uno verso l’altro a circa 3000 chilometri al secondo, pari a circa l’1% della velocità della luce. Con un quadro più completo di ciò che stava accadendo, i ricercatori sono riusciti a capire perché la materia oscura e la materia normale sembravano viaggiare in direzioni opposte. Sebbene sia difficile da visualizzare, l’orientamento della collisione, unito al fatto che la materia oscura e la materia normale si sono separate l’una dall’altra, spiega le strane misure di velocità. In futuro, i ricercatori sperano che altri studi come questo portino a nuovi indizi sulla misteriosa natura della materia oscura. “Questo studio è un punto di partenza per ricerche più dettagliate sulla natura della materia oscura”, ha sottolineato Silich. “Abbiamo un nuovo tipo di sonda diretta che mostra come la materia oscura si comporti diversamente dalla materia normale”, ha specificato Silich. Sayers, che ricorda di aver raccolto per la prima volta i dati del CSO su questo oggetto quasi 20 anni fa. “Ci è voluto molto tempo per mettere insieme tutti i pezzi del puzzle, ma ora finalmente sappiamo cosa sta succedendo; speriamo che questo porti a un modo completamente nuovo di studiare la materia oscura negli ammassi”, ha concluso Sayers.(30Science.com)