ALMA rivela una sottile firma della materia oscura

Osservazioni pionieristiche rivelano fluttuazioni della materia oscura al di sotto del livello delle galassie, confermando le teorie della materia oscura fredda e fornendo nuove informazioni sulla formazione dell’universo.

Un gruppo di ricerca guidato dal professor Kaiki Taro Inoue presso l’Università di Kindai (Osaka, Giappone) ha rilevato fluttuazioni nella distribuzione della materia oscura nell’universo su scale più piccole delle galassie massicce utilizzando l’interferometro radio più potente del mondo, l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array. matrice).Alma), situato nella Repubblica del Cile.

Questa è la prima volta che fluttuazioni spaziali della materia oscura vengono rilevate nell’universo lontano su una scala di 30mila anni luce. Questo risultato mostra che la materia oscura è fredda^[1] Ciò è preferibile anche su scale più piccole delle galassie massicce, ed è un passo importante verso la comprensione della vera natura della materia oscura. L’articolo sarà pubblicato in IL Giornale astrofisico.

Figura 1. Fluttuazioni rilevate nella materia oscura. Il colore arancione più luminoso indica regioni con elevata densità di materia oscura e il colore arancione più scuro indica regioni con bassa densità di materia oscura. I colori bianco e blu rappresentano oggetti dotati di lente gravitazionale osservati da ALMA. Fonte: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), KT Inoue et al.

i punti principali

• Osservazione da parte di uno degli interferometri di onde radio più grandi del mondo ALMA, un progetto internazionale.
• La prima rilevazione di fluttuazioni della materia oscura nell’universo su scale inferiori a 30mila anni luce.
• Un passo importante verso il chiarimento della vera natura della materia oscura.

ALMA rileva fluttuazioni su piccola scala nella distribuzione della materia oscura

Si ritiene che la materia oscura, la materia invisibile che costituisce gran parte della massa dell’universo, abbia svolto un ruolo importante nella formazione di strutture come stelle e galassie.^[2] Poiché la materia oscura non è distribuita uniformemente nello spazio ma distribuita in grumi, la sua gravità può alterare leggermente il percorso della luce (comprese le onde radio) proveniente da sorgenti luminose distanti. Le osservazioni di questo effetto (lente gravitazionale) hanno dimostrato che la materia oscura è associata a galassie e ammassi di galassie relativamente massicci, ma non è ancora noto come sia distribuita su scale più piccole.

Il gruppo di ricerca ha deciso di utilizzare ALMA per osservare un oggetto a 11 miliardi di anni luce dalla Terra. L’oggetto è un quasar con lente,^[3] MGJ0414+0534^[4] (di seguito denominato “questo quasar”).

Questo quasar sembra avere un’immagine quadrilatera a causa dell’effetto di lente gravitazionale della galassia in primo piano. Tuttavia, le posizioni e le forme di queste immagini apparenti differiscono da quelle calcolate esclusivamente dall’effetto di lente gravitazionale della galassia in primo piano, suggerendo che l’effetto di lente gravitazionale della distribuzione della materia oscura su scale più piccole delle galassie massicce è all’opera.

Figura 2: Diagramma concettuale del sistema di lenti gravitazionali MG J0414+0534. L’oggetto al centro dell’immagine indica una galassia lenticolare. L’arancione mostra la materia oscura nello spazio intergalattico e il giallo pallido indica la materia oscura in una galassia lenticolare. Crediti: NAOJ, KT Inoue

Si è scoperto che esistono fluttuazioni spaziali nella densità della materia oscura anche su una scala di circa 30mila anni luce, che è molto inferiore alla scala cosmica (diverse decine di miliardi di anni luce). Questo risultato è coerente con la previsione teorica della materia oscura fredda, che prevede l’esistenza di accumuli di materia oscura non solo all’interno delle galassie (giallo pallido nella Figura 2), ma anche nello spazio intergalattico (arancione nella Figura 2).

Gli effetti di lente gravitazionale degli ammassi di materia oscura trovati in questo studio sono così piccoli che sono estremamente difficili da rilevare da soli. Tuttavia, grazie all’effetto di lente gravitazionale causato dalla galassia in primo piano e all’alta risoluzione di ALMA, siamo stati in grado di rilevarne gli effetti per la prima volta. Pertanto, questa ricerca rappresenta un passo importante per verificare la teoria della materia oscura e chiarirne la vera natura.

Questa ricerca è presentata in un articolo intitolato “ALMA Measurement of Lensing Power Spectra at 10 kpc verso il lensed quasar MG J0414+0534” di KT Inoue et al. Nel Giornale astrofisico.

Appunti

1. Materia oscura fredda
   Man mano che l’universo si espande, la densità della materia diminuisce, quindi le particelle di materia oscura (materia invisibile alla luce) non incontreranno più altre particelle e avranno un moto indipendente diverso dal moto della materia ordinaria. In questo caso, le particelle di materia oscura che si muovono a una velocità molto inferiore alla velocità della luce rispetto alla materia ordinaria sono chiamate materia oscura fredda. A causa della loro bassa velocità, non hanno la capacità di cancellare strutture su larga scala nell’universo.
2. Formazione della struttura nell’universo
   Nell’universo primordiale, si pensa che le stelle e le galassie si siano formate a seguito della crescita gravitazionale delle fluttuazioni della densità della materia oscura e dell’accumulo di idrogeno ed elio attratti da ammassi di materia oscura. La distribuzione della materia oscura su scale più piccole delle galassie massicce è ancora sconosciuta.
3. Quasar
   Un quasar è la regione centrale e compatta di una galassia che emette luce estremamente brillante. L’area combinata e i suoi dintorni contengono una grande quantità di polvere che emette onde radio.
4. MGJ0414+0534
   MG J0414+0534 si trova nella direzione della costellazione del Toro vista dalla Terra. Il redshift (aumento della lunghezza d’onda della luce diviso per la lunghezza d’onda originale) di questo oggetto è z=2,639. Si presume che la distanza corrispondente sia di 11 miliardi di anni luce, tenendo conto dell’incertezza dei parametri cosmologici.

Riferimento: “misurazione ALMA degli spettri di forza di lente a 10 kpc verso quasar con lente MG J0414+0534” di Kaiki Taro Inoue, Takeo Minezaki, Satoki Matsushita e Koichiro Nakanishi, 7 settembre 2023, Giornale astrofisico.
doi: 10.3847/1538-4357/aceb5f

Questo lavoro è stato sostenuto da un sussidio per la ricerca scientifica da parte della Società giapponese per la promozione della scienza (n. 17H02868, 19K03937), dell’Osservatorio astronomico nazionale del Giappone ALMA Joint Scientific Research Project 2018-07A, lo stesso del ALMA JAPAN Research Fund NAOJ-ALMA-256 e Taiwan MoST. 103-2112-M-001-032-MY3, 106-2112-M-001-011, 107-2119-M-001-020, 107-2119- M-001-020.