Gli astronomi sono ancora in una fase iniziale per quanto riguarda le questioni riguardanti la natura e le proprietà della materia oscura.
La teoria sull'esistenza di questa sostanza eraproposto più di 40 anni fa come spiegazione della discrepanza tra la massa di tutti gli oggetti visibili in una galassia e la massa della galassia stessa. L'astronomo Vera Rubin, che per primo scoprì la discrepanza, stabilì che questa sostanza invisibile è estremamente comune e costituisce la maggior parte dell'Universo. Oggi conosciamo questa sostanza come materia oscura.
Vera Rubin. Foto: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu
Sebbene gli astronomi ne abbiano almeno treprova che la materia oscura esiste, nessuno dei tentativi di rilevare prove dirette della sua esistenza e di determinare le sue proprietà non ha avuto successo.
Tuttavia, il lavoro degli scienziati della Yale University diguidato da Peter van Dokkum, pubblicato sulla rivista Nature nel marzo 2018, gli scienziati hanno più che mai avvicinato gli scienziati alla ricerca di un'altra prova dell'esistenza di questa sostanza.
Cosa sanno gli astronomi della materia oscura?
La materia oscura è una sostanza che non lo èinteragisce con altre questioni per mezzo di forze elettromagnetiche (EM) o forti nucleari. L'assenza di interazioni elettromagnetiche significa che non può emettere, assorbire, riflettere, rifrangere o diffondere la luce. Questo, ovviamente, lo rende un argomento piuttosto complicato per l'osservazione. Tuttavia, circa l'85% di tutta la materia nell'universo è materia oscura.
Finora, gli scienziati non hanno alcuna prova pratica che la materia oscura esista davvero, ma esiste una teoria. Ecco i tre principali.
Curve di rotazione galattica
Quando un oggetto ruota attorno a un altro,un oggetto in orbita deve essere costantemente accelerato verso il centro (o, più precisamente, entrambi accelerano al loro centro di massa combinato). Senza questa accelerazione, il corpo orbitale volerà semplicemente via.
Più veloce è il movimento del corpo orbitale, ilè necessaria più accelerazione per mantenerlo in orbita. Poiché in questo caso l'accelerazione è dovuta alla gravità, ciò significa che la massa centrale deve essere più grande.
Questa conoscenza consente agli scienziati di "pesare" in modo diversoparti della galassia, oltre a misurare le velocità di rotazione, confrontando i redshift sui lati in avvicinamento e sfuggente della galassia. Quando si ponderazione, gli astronomi vedono una discrepanza tra la massa di tutti gli oggetti nella galassia e la sua massa totale.
redshift— spostamento delle linee spettrali degli elementi chimicial lato rosso (lunghezza d'onda lunga). Questo fenomeno può essere espressione di una debole diffusione diffusa, dell'effetto Doppler o del redshift gravitazionale, o di una combinazione di questi. Lo spostamento delle linee spettrali negli spettri dei corpi celesti fu descritto per la prima volta dal fisico francese Hippolyte Fizeau nel 1848 e propose l'effetto Doppler causato dalla velocità radiale della stella per spiegare lo spostamento.
Lente gravitazionale
Secondo la teoria generale della relatività, qualsiasiil tempo che passa attraverso il campo gravitazionale è leggermente distorto. Agisce come una lente gravitazionale e può produrre, ad esempio, "anelli di Einstein", come nell'immagine qui sotto.
Afferma la teoria della relatività generale di Einsteinche la gravità di oggetti spaziali così grandi come le galassie piega lo spazio attorno a sé e devia i raggi di luce. Quando ciò accade, un'immagine distorta di un'altra galassia - la fonte della luce.
L'anello "Einstein" nell'immagine sopra èimmagine distorta di una galassia (è evidenziata in blu), situata dietro l'altra (rossa) galassia al centro. La luce del blu si propaga in tutte le direzioni, ma è piegata dalla gravità di una galassia rossa. Ciò significa che la luce, che, per esempio, era originariamente diretta direttamente sulla Terra, non raggiungerà mai il nostro pianeta - diversamente dalla luce, che ha una direzione diversa, ma è stata distorta da una lente e procede come da tutte le direzioni contemporaneamente. Questo processo spiega l'aspetto dell'anello.
Nelle lenti gravitazionali deboli, statisticoanalizzare le distorsioni della luce che riceviamo ci permette di “notare” il campo gravitazionale tra la Terra e le galassie distanti. Spesso in questo campo c’è più massa, e quindi più materia, di quanto gli scienziati possano spiegare.
Un esempio di lente gravitazionale, che dal punto di vista della teoria esistente dimostra la presenza di materia oscura, è una fotografia dell'ammasso di galassie Bullet, situato nella costellazione della Carina.
L'immagine mostra le conseguenze della collisione di due galassie. Il rosso nell'immagine mostra aree di materia visibile, il blu mostra materia oscura, la cui presenza è determinata dalla lente gravitazionale.
Questa distinzione è dovuta al fatto cheLa maggior parte della materia luminosa in un ammasso di galassie si trova in un mezzo intracluster - in un plasma caldo e denso. Quando parti del plasma si scontrano tra loro, una quantità significativa della sostanza rallenta e rimane al centro. Ma la materia oscura interagisce debolmente con la materia, quindi i suoi componenti dai due grappoli possono passare liberamente attraverso l'altro - questo porta alla separazione mostrata nella foto.
Radiazione della reliquia
Durante le prime centinaia di migliaia di anni dopoAl momento del Big Bang, l’universo era abbastanza caldo da diventare altamente ionizzato. Ciò lo rendeva temporaneamente quasi opaco alla luce: i fotoni ruotavano come qualsiasi altra particella. Tuttavia, quando le cose si raffreddarono abbastanza, quantità significative di protoni ed elettroni si combinarono per formare idrogeno neutro, che divenne sufficientemente trasparente alla maggior parte della luce che lo circondava. Questo processo è avvenuto abbastanza rapidamente (in termini di tempo cosmologico) - di conseguenza, tutta la luce contenuta nell'Universo, in termini relativi, è stata improvvisamente rilasciata, costituendo un'istantanea di quello stadio della sua evoluzione. Questo è un modo semplificato per descrivere la radiazione cosmica di fondo a microonde.
Per rilevare questa luce, gli scienziati possonopuntare i radiotelescopi in qualsiasi direzione e, a seconda dell'area di osservazione, la temperatura cambierà leggermente. La differenza di temperatura è spiegata dalla presenza o dall'assenza di materia oscura in questa regione.
Cosa è insolito trovato nella prima galassia?
DF2 è una galassia che fa parte di un grande gruppoguidata dalla massiccia galassia ellittica NGC 1052. La galassia ha attirato l'attenzione degli scienziati perché appariva diversa nelle fotografie scattate dal Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Nella prima la galassia appariva come una macchia di debole luce, mentre nella seconda era un gruppo di oggetti puntiformi.
Sulla base di queste osservazioni, gli scienziati guidati daPeter van Dokkum ha identificato dieci ammassi globulari (grandi gruppi di vecchie stelle) all'interno della galassia e ha scoperto che si muovono tre volte più lentamente che se ci fosse molta materia oscura. Il fatto è che se la massa della galassia fosse maggiore della massa degli oggetti visibili, gli ammassi ruoterebbero più velocemente.
La comunità scientifica ha valutato criticamente la pubblicazione– L’errore dei ricercatori è stato quello di osservare solo dieci ammassi e solo per due notti. Gli scettici credevano che gli scienziati potessero aver trascurato i dettagli chiave sul movimento degli ammassi stellari, con il risultato che le loro stime sulla massa della galassia e sulla materia visibile risultavano distorte.
E nel secondo?
L'unico modo per dimostrare la correttezza della loroL'osservazione era la ricerca di una seconda galassia, che conterrebbe la quantità minima di materia oscura - e nel marzo 2019 una tale galassia fu scoperta.
I ricercatori hanno pubblicato due articoli scientifici - inSono stati i primi a rimisurare la massa di DF2 utilizzando la fotocamera avanzata di Hubble e il telescopio da 10 metri dell'Osservatorio Keck alle Hawaii. Questa volta gli astronomi hanno osservato non solo la velocità di movimento degli ammassi, ma anche la velocità di rotazione delle stelle al loro interno. Di conseguenza, gli scienziati hanno stabilito che DF2 è una galassia ultradiffusa trasparente, le cui dimensioni sono approssimativamente uguali a quelle della Via Lattea. Solo che conteneva circa 200 volte meno stelle.
Il secondo articolo è stato dedicato alla scoperta di taleGalassie DF2 - DF4, che si trova nello stesso cluster vicino alla galassia NGC 1052. I ricercatori ritengono che, in primo luogo, le galassie con una minima quantità di materia oscura non siano rare, e, in secondo luogo, che una grande galassia possa "rubare" l'oscurità importa dai loro vicini più piccoli.
Come può l'assenza di materia oscura essere la prova della sua esistenza?
Per capire l'affermazione che l'assenza di un oscuritàLa materia in due galassie conferma la sua presenza nell'universo secondo la Teoria della Relatività Generale, vale la pena considerare la critica dell'idea della presenza della materia oscura.
Alcuni scienziati non sono d'accordo nell'universoc'è materia oscura e l'evidenza teorica della sua presenza è attribuita alla cosiddetta dinamica newtoniana modificata (MOND). Questa teoria alternativa dice che la gravità su scala cosmica non funziona come previsto da Isaac Newton o Albert Einstein. Ciò significa che la Teoria Generale della Relatività, sulla quale sono costruite teorie sull'esistenza della materia oscura, non funziona nel caso delle galassie.
Ad esempio, il fisico teorico Erik Verlinde diL’Università di Amsterdam ha pubblicato un articolo scientifico nel 2016 che esaminava la gravità come sottoprodotto delle interazioni quantistiche e suggeriva che la gravità aggiuntiva attribuita alla materia oscura è un effetto dell’energia oscura – energia di fondo intessuta nel tessuto dello spazio-tempo dell’Universo.
In altre parole, Verlinde ritiene che la materia oscura non sia materia, ma solo un’interazione tra la materia ordinaria e l’energia oscura.
Scoperta di scienziati della Yale Universitydimostra che la materia oscura può essere separata dalla materia ordinaria, a condizione che entrambe le galassie rilevate si comportino in conformità con la teoria standard della gravità. Cioè, i processi che si verificano in essi possono essere spiegati usando le equazioni scoperte da Newton e Kepler.
Quali sono le domande
Scoperta da parte degli astronomi, in caso di successoconfermato in modo definitivo attraverso osservazioni future, mette in discussione la teoria esistente sulla formazione delle galassie. In particolare, stiamo parlando dell’ipotesi che la più grande NGC 1052 possa “rubare” la materia oscura da DF2 e DF4. Se ciò è veramente possibile, a condizione che venga preservato l'ordine osservato in entrambe le galassie osservate, gli astronomi dovranno riconsiderare completamente il meccanismo della loro formazione ed esistenza.
"Speriamo di scoprire quanto sia comunequeste galassie e se esistono in altre aree dell'universo. Vogliamo trovare più prove che ci aiuteranno a capire come le loro proprietà siano coerenti o non coerenti con le nostre attuali teorie. Speriamo che questo ci consenta di compiere un altro passo nella comprensione di uno dei più grandi misteri del nostro universo - la natura della materia oscura ", ha detto Dokkum in una conversazione con l'Astronomia.