Secondo il modello cosmologico standard, l’attuale densità di materia visibile (barionica) dell’Universo può rappresentare solo il 10% del suo contenuto totale di materia. Il restante 90% è sotto forma di quella che chiamiamo materia oscura. Si pensa che questa materia sia costituita da particelle fredde prive di collisioni, che rispondono solo alla gravità; da qui il nome Cold Dark Matter, CDM.
Tuttavia, molte osservazioni ancora non sono state spiegate usando il modello cosmologico standard. Alcuni scienziati quindi suggeriscono un modello alternativo detto SIDM, Self-Interacting Dark Matter, in contrapposizione a quello standard. Secondo questo modello, le particelle di materia oscura si scambiano energia attraverso collisioni.
Una nuova ricerca condotta da Riccardo Valdarnini del gruppo di Astrofisica e Cosmologia della SISSA, pubblicata qualche giorno fa, ha ora fornito un importante contributo a favore del modello SIDM. Suggerendo che, a tutti gli effetti, la materia oscura potrebbe avere proprietà collisionali, ovvero contrariamente al modello standard, potrebbe interagire con se stessa.
🌌 A new SISSA study suggests #darkmatter may have collisional properties, challenging the standard model! The research used simulations to analyze “El Gordo,” a giant cluster merger 7 billion light years away.
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Cercare collisioni in un gigantesco ammasso galattico
Utilizzando simulazioni numeriche, lo studio ha analizzato ciò che accade nel gigantesco ammasso di galassie in fusione ACT-CL J0102-4915, meglio conosciuto come El Gordo, a 7 miliardi di anni luce da noi. Questi ambienti sono laboratori unici per studiare le proprietà collisionali della materia oscura. El Gordo, in particolar modo, ha una massa di circa 1015 masse solari, è uno dei più grandi ammassi di galassie che conosciamo, ed è stato oggetto di numerosi studi, sia teorici che osservativi.
El Gordo è costituito da due massicci sotto-ammassi, rispettivamente denominati nordoccidentale (NW) e sudorientale (SE), in fusione. Secondo il modello standard, durante una fusione di ammassi il comportamento della componente di massa del gas in collisione differirà da quello delle altre due componenti: galassie e materia oscura. In questo scenario, il gas dissiperà parte della sua energia iniziale.
Per il modello SIDM, invece, si dovrebbe osservare la separazione fisica dei punti di massima densità della materia oscura da quelli degli altri componenti della massa. Secondo le osservazioni, questo è esattamente ciò che accade all’interno di El Gordo.
Una firma inequivocabile
Queste mappe e i successivi calcoli indicano che in El Gordo la separazione fisica osservata tra i punti di massima densità della materia oscura e quelli degli altri componenti della massa può essere spiegata solo utilizzando il modello SIDM. A tal proposito, Valdarnini ha spiegato:
Le separazioni relative osservate tra i diversi centroidi di massa dell’ammasso El Gordo si spiegano naturalmente se la materia oscura interagisce con se stessa. Questi risultati forniscono una firma inequivocabile di un comportamento della materia oscura che mostra proprietà collisionali in una collisione di ammassi molto energetica.
Ci sono, tuttavia, delle incoerenze che andranno analizzate. Alcuni valori determinati nel corso della ricerca suggeriscono che gli attuali modelli SIDM dovrebbero essere considerati solo come un’approssimazione di basso ordine. E che i processi fisici sottostanti, che descrivono l’interazione della materia oscura nelle principali fusioni di ammassi, sono molto più complessi di quanto possa essere rappresentato dall’approccio standard.
Lo studio di Valdarnini, comunque, sostiene in modo convincente la possibilità di auto-interazione della materia oscura tra ammassi in collisione.
Perché è così importante?
Se dimostrassimo definitivamente che, contrariamente a quanto previsto dal modello standard, la materia oscura ha proprietà collisionali, ovvero che può interagire con se stessa, questo avrebbe profonde implicazioni per la nostra attuale comprensione dell’Universo.
Una materia oscura con proprietà collisionali modificherebbe i modelli attuali di formazione ed evoluzione delle strutture cosmiche. Per la nostra visione attuale delle cose, le particelle di materia oscura attraversano se stesse e altre particelle senza interagire. Se, invece, la materia oscura fosse collisiva, potrebbe formare strutture più dense e compatte, alterando la distribuzione della materia nelle galassie e negli ammassi di galassie. Questo potrebbe effettivamente spiegare alcune anomalie osservate nella distribuzione della materia e nella rotazione delle galassie, che i modelli attuali non riescono a spiegare pienamente.
Inoltre, le interazioni collisionali della materia oscura potrebbero potenzialmente produrre segnali osservabili, rilevabili con strumenti astronomici. Questo aprirebbe nuove vie per la rilevazione diretta della materia oscura, un obiettivo che finora non è stato possibile.
A livello cosmologico, una materia oscura con proprietà collisionali potrebbe influenzare l’evoluzione dell’Universo su larga scala. Potrebbe contribuire alla formazione di strutture cosmiche, come i filamenti e i vuoti, in modi differenti rispetto a quanto previsto attualmente. Modificando, inevitabilmente, le previsioni del modello cosmologico standard.
Lo studio, pubblicato sulla rivista Astronomy & Astrophysics, è reperibile qui.
