Il problema della “materia mancante” dell’universo è stato finalmente risolto

I lampi radio veloci sono fenomeni cosmici misteriosi e intriganti. Sono stati identificati per la prima volta nel 2007, ma le loro origini continuano a sfuggire agli scienziati. Sono ancora abbastanza rari, ma stiamo migliorando nel rilevarli. Ora abbiamo trovato il modo di usarli per imparare qualcosa in più sull'universo.

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In un nuovo studio, pubblicato sulla rivista Nature mercoledì, Jean-Pierre Macquart e un team di astronomi internazionali viene descritto come hanno utilizzato il rilevamento di alcuni Fast Radio Burst per risolvere un mistero che ha afflitto gli astrofisici per lungo tempo relativo alla materia normale nell’universo, la cosiddetta materia barionica,  – e in che modo la loro tecnica ha fornito un modo completamente nuovo di guardare il cosmo.

Il problema della “materia mancante”

Macquart, astronomo dell’International Centre for Radio Astronomy Research in Australia, e il suo team hanno analizzato una serie di Fast radio Burst (FRB), rilevati dall’enorme array di telescopi noto come Australian Square Kilometer Array Pathfinder.

Macquart e un gruppo di collaboratori provenienti da istituzioni di tutto il mondo, parte del gruppo investigativo Commensal Real-time ASKAP Fast Transients Survey, hanno capito che i burst potevano anche essere usati per rilevare la “materia mancante” dell’universo.

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L’Australian Square Kilometer Array Pathfinder ha contribuito a risolvere uno dei misteri permanenti del cosmo. – ASKAP

L’universo è costituito da “materia ordinaria”, materia oscura ed energia oscura. Gli ultimi due costituenti rappresentano circa il 95% dell’universo noto e sono incredibilmente misteriosi. Sappiamo che esistono ma non siamo mai stati in grado di rilevarli.

Il 5% restante è costituito da materia ordinaria, quella che compone le stelle, i pianeti, la nostra auto e noi stessi.

Quando hanno guardato … qualche decennio fa, potevano spiegare solo la metà della materia ordinaria“, afferma Macquart. Contando tutto ciò che si può vedere – le galassie, le stelle, i pianeti, i gas – si poteva rintracciare circa la metà di quel 5%.

Da tempo, però, gli astronomi hanno capito dove trovare questa materia mancante. Nel corso degli anni, sono stati utilizzati numerosi metodi diversi per cercare di rilevare la materia mancante, ma i ricercatori non sono stati in grado di rilevare adeguatamente tutta la materia normale in tutto l’universo, principalmente perché si sono concentrati su specifiche regioni dello spazio. Macquart paragona questo al tentativo di dire quanto è grande un cane “guardando le dimensioni della sua coda”.

Ma la nuova tecnica introdotta dal team – utilizzando i FRB – consente di guardare l’intero scenario.

Quello che fanno gli FRB è attraversare spazi [dello spazio] in cui [altre] tecniche semplicemente non funzionano“, dice.

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Una visualizzazione di come un segnale FRB viaggia attraverso lo spazio vuoto e cosa succede al segnale quando si imbatte in materia mancante. – ICRAR

Segnali improvvisi dal passato

I lampi radio veloci sono fenomeni cosmici misteriosi e intriganti. Sono stati identificati per la prima volta nel 2007, ma le loro origini continuano a sfuggire agli scienziati. Sono ancora abbastanza rari, ma stiamo migliorando nel rilevarli. Nuovi telescopi e array radio, come l’ASKAP, consentono agli astronomi di individuare la fonte di queste esplosioni di onde radio dallo spazio profondo.

ASKAP è un pezzo chiave del nuovo studio perché, fondamentalmente, guarda un’ampia area di cielo, come un Grande Fratello cosmico. Ogni secondo prende 10 trilioni di misurazioni e quindi esegue una media di circa 1 miliardo di misurazioni al secondo, alla ricerca di segni di FRB.

Per giungere alle antenne di ASKAP sulla Terra, le onde radio viaggiano da galassie lontane, sopportando un lungo viaggio che le porta attraverso il vasto nulla dello spazio tra le galassie. Noi vediamo queste regioni dello spazio come vuote, ma in realtà sono piene di particelle come gli elettroni che vengono urtate dall’onda radio durante il suo viaggio attraverso l’universo.

Le onde radio, mentre viaggiano attraverso il cosmo interagiscono con gli elettroni liberi, sporcando il segnale radio“, afferma Geraint Lewis, un astrofisico dell’Università di Sydney che non era affiliato allo studio.

È questa sbavatura del segnale radio che è stata la chiave per trovare la materia mancante.

Gli astronomi hanno contato “il numero di elettroni lungo la linea di visuale” tra noi e la sorgente dei FRB, fornendo una misura della materia nascosta nel cosmo. Dopo aver studiato cinque FRB diversi, provenienti da cinque sorgenti diverse, il team ha trovato le loro misurazioni allineate quasi perfettamente con le previsioni di quanta materia normale dovrebbe esistere nell’universo.

Il mistero è stato finalmente risolto e i cosmologi ora sano che gli attuali modelle sviluppati per comprendere l’universo non sono errati.

Mappatura della rete cosmica

Risolto il mistero della materia mancante, il team ora pensa di poter usare gli FRB come nuovo strumento per sondare il cosmo.

Il metodo di rilevamento degli FRB è estremamente sensibile rispetto ai metodi precedenti usati e consente ai ricercatori di rilevare la materia ordinaria vagante nel vasto spazio apparentemente vuoto tra le galassie. Ciò significa che gli astronomi potrebbero essere in grado di mappare la cosiddetta rete cosmica, quei filamenti di materia che sotto forma di gas collegano tra loro le galassie.

Questa tecnica ci permetterà di mappare dove si trova il gas“, afferma Prochaska.

Ad oggi, disponiamo solo di un’immagine della rete cosmica creata da una simulazione al computer, ma tra cinque anni, dopo avere analizzato almeno altri 100 FRB, dovremmo essere in grado di creare una mappa fedele dell’universo“.

Il team continuerà a cercare FRB con ASKAP, utilizzando, inoltre, il nuovo strumento in corso di costruzione che sarà in grado di individuare molti più FRB, aumentando il tasso di rilevamento di 20 volte. Un tale salto potrebbe consentire al team di raccogliere 100 segnali entro un anno e contribuire a rimodellare il modo in cui vediamo l’universo, fino ai suoi primi giorni.

Potremmo anche essere in grado di dire qualcosa sull’epoca della reionizzazione, quando l’universo è stato trasformato da materia neutra a materia ionizzata“, afferma.

Certo, la materia barionica mancante costituisce solo una percentuale molto piccola di tutta la materia presente nell’universo e ci sono grandi domande cosmologiche che devono ancora trovare risposta.

Il prossimo passo obbligatorio sarà quello di scoprire qualcosa di più su materia oscura ed energia oscura.

Fonte: Nature