Una nuova mappa dell’universo ipotizza che la materia oscura abbia plasmato il cosmo

Le immagini dettagliate del telescopio eROSITA sono tra le misurazioni cosmologiche più precise realizzate. La loro analisi ha permesso di ricostruire l’evoluzione dell’universo per diversi miliardi di anni, confermando il ruolo della materia oscura previsto dal modello standard della cosmologia
di Davide Castelvecchi/Nature
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Gli astronomi hanno ricostruito quasi nove miliardi di anni di evoluzione cosmica tracciando il bagliore dei raggi X di lontani ammassi di galassie. L’analisi supporta il modello standard della cosmologia, secondo il quale l’attrazione gravitazionale della materia oscura – una sostanza ancora misteriosa – è il fattore principale che plasma la struttura dell’universo.

“Non vediamo alcuna deviazione dal modello standard della cosmologia”, esordisce Esra Bulbul, membro senior del gruppo e astrofisica al Max-Planck-Institut per la fisica extraterrestre (MPE) a Garching, in Germania. I risultati sono descritti in un preprint pubblicato online.

Gli ammassi galattici sono stati individuati nell’immagine più dettagliata mai scattata del cielo con i raggi X, pubblicata alla fine del mese scorso. L’immagine ha rivelato circa 900.000 sorgenti di raggi X, dai buchi neri ai resti delle esplosioni di supernove.

L’immagine è il risultato dei primi sei mesi di funzionamento di eROSITA (Extended Roentgen Survey with an Imaging Telescope Array), uno dei due telescopi a raggi X lanciati nello spazio nel luglio 2019 a bordo della navicella spaziale russa SRG (Spectrum-Roentgen-Gamma). eROSITA scansiona il cielo durante la rotazione della navicella spaziale e raccoglie dati su angoli più ampi rispetto a quelli possibili per la maggior parte degli altri osservatori a raggi X. Ciò consente di scansionare lentamente il cielo mentre la navicella ruota. In questo modo, ogni sei mesi, è in grado di esplorare lentamente l’intero cielo.

Grazie a un accordo insolito, il gruppo di eROSITA è diviso in due, una squadra con sede in Germania e una con sede in Russia, e ognuna ha accesso esclusivo ai dati di eROSITA di solo metà del cielo. Inizialmente la missione doveva coprire il cielo per otto volte. Ma l’invasione su larga scala dell’Ucraina da parte della Russia nel 2022 ha indotto il governo tedesco a congelare le collaborazioni ed eROSITA è stato messo in stand–by. A quel punto, aveva completato quattro scansioni complete del cielo.

I dati che Bulbul e i suoi collaboratori hanno utilizzato finora provengono dalla loro metà del cielo, raccolti durante la prima scansione. Tuttavia, i risultati sono già tra le misure cosmologiche più precise mai effettuate. Non è chiaro quando il gruppo russo pubblicherà i dati e le analisi.

Universo in evoluzione
Guardando a grandi distanze, telescopi come eROSITA scrutano anche indietro nel tempo, per osservare le varie fasi dell’evoluzione cosmica. Con l’espansione dell’universo, lo spazio tra le galassie tende ad aumentare, ma allo stesso tempo le galassie sono attratte l’una verso l’altra dalla gravità, compresa la propria e soprattutto quella della materia oscura. Di conseguenza, si formano ed espandono giganteschi vuoti cosmici e la materia si aggrega sempre più in una rete di giganteschi ammassi di galassie.

L’astrofisico Vittorio Ghirardini dell’MPE ha lavorato con Bulbul e altri collaboratori per mappare in 3D gli aloni di gas intergalattico che circondano più di 5000 ammassi di galassie, usando una combinazione di dati di eROSITA e una mappa esistente realizzata dalla Dark Energy Survey (DES), che utilizza un telescopio in Cile. “Poiché i raggi X sono molto potenti nell’individuare gli aloni, possiamo essere certi che si tratta di una struttura molto grande”, spiega Ghirardini.

Le osservazioni coprono un’area e un periodo di tempo molto vasti: circa nove miliardi di anni. Questo ha permesso ai ricercatori di calcolare alcuni dei parametri più cruciali dell’evoluzione cosmica, tra cui la lumpiness, ovvero quanto la massa totale della materia si è concentrata nella ragnatela cosmica in un determinato momento. Nel 2017, calcoli simili basati solo sui dati DES sembravano mostrare che la ragnatela era diventata “granulosa” molto più lentamente di quanto previsto dal modello standard, ma nell’ultima analisi questa discrepanza è sparita. (Anche i risultati resi pubblici l’anno scorso da un esperimento cosmologico separato indicavano un’armonia con il modello standard.)

Confine dei neutrini
Inoltre, i dati degli ammassi galattici hanno permesso agli autori della ricerca di individuare il ruolo dei neutrini nel plasmare la ragnatela cosmica. Queste particelle elementari sono state prodotte in grandi quantità durante il big bang e, grazie alle loro piccole masse e alla loro riluttanza a interagire con altre particelle, si comportano come la materia oscura, formando aloni intorno alle galassie. Sulla base di queste informazioni, gli astrofisici hanno calcolato che i neutrini potrebbero avere una massa non superiore a 0,22 elettronvolt (un elettrone ha una massa di circa 500.000 eV). “Queste sono le misurazioni più strette delle masse dei neutrini disponibili”, afferma Bulbul; le misurazioni di laboratorio sulla Terra hanno finora stabilito un limite superiore di 0,8 eV.

Anche se le osservazioni di eROSITA non dovessero mai riprendere, il lavoro dei ricercatori non è ancora finito. “Abbiamo molti altri dati su cui stiamo lavorando”, spiega Bulbul. Il gruppo sarà in grado di mappare aloni di gas più piccoli, più deboli o più distanti di quelli presenti nel catalogo attuale e di aumentare la precisione delle misurazioni.

Lo stesso vale per gli altri tipi di sorgenti di raggi X mappati da eROSITA, come i quasar, i buchi neri supermassicci intensamente luminosi al centro di molte galassie. Gli studi su questo tesoro di informazioni sono appena iniziati, spiega Mara Salvato, portavoce di eROSITA e astrofisica dell’MPE. “Entro la fine della missione, prevediamo di catalogare tre milioni di oggetti”.