Gli ammassi di galassie sono le strutture più grandi nell’Universo ad essere tenute insieme dalla mutua gravità delle loro componenti: centinaia o migliaia di galassie, una enorme quantità di gas intergalattico a temperature oltre il milione di gradi, che emette raggi X, e quantità ancora maggiori della invisibile materia oscura.
Per quanto si tratti di “bestie cosmiche” alquanto intricate, finora si pensava che le tre quantità principali che descrivono un ammasso – la sua massa, la temperatura del gas che lo pervade e la relativa luminosità osservata nei raggi X – fossero legate da relazioni piuttosto semplici e valide per tutti gli oggetti di questo tipo. Un nuovo studio, guidato interamente da ricercatori e ricercatrici dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), mostra che la situazione è invece molto più complessa: se la relazione tra la luminosità e la temperatura degli ammassi di galassie è ben delineata, quella tra massa e temperatura risulta invece essere alquanto blanda. I risultati, basati su un campione di 32 ammassi di galassie osservati in banda X con il Neil Gehrels Swift Observatory della NASA, sono stati pubblicati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
“Cambia radicalmente il modo di pensare agli ammassi di galassie, avendone minato le relazioni di base, e cambia anche la possibilità di usare a fini astrofisici e cosmologici i grandi campioni di ammassi che stanno per arrivare da nuove survey”, dice Stefano Andreon, ricercatore INAF a Milano e primo autore del nuovo studio.
Questo lavoro è il risultato di uno sforzo a guida dello stesso Andreon, iniziato con la scoperta nel 2016 dei cosiddetti “ammassi di bassa brillanza superficiale”, la cui luminosità osservata nei raggi X è fino a dieci volte inferiore rispetto a quanto previsto da misure indipendenti della loro massa. Includere questi ammassi all’interno del campione studiato, che non è stato selezionato sulla base della luminosità in banda X, ha dimostrato che non tutte le relazioni valide per gli ammassi “ideali” – quelli più facili da osservare e studiare sia perché più brillanti ma anche perché il loro gas ha raggiunto una certa stabilità interna – valgono per l’intera popolazione di ammassi.
Se la relazione tra luminosità e temperatura degli ammassi regge ancora, mentre quella tra massa e temperatura inizia a vacillare, il motivo potrebbe risiedere nel fatto che luminosità e temperatura sono effettivamente due proprietà strettamente legate tra loro, poiché derivano entrambe dall’emissione proveniente dal cuore degli ammassi, fortemente influenzata dalla dinamica del gas. La connessione tra massa e temperatura, invece, è molto più debole.
“La temperatura che misuriamo è quella del gas caldo, che è al più qualche percento della massa totale, quindi trascurabile – anzi, è quella del gas caldo al centro dell’ammasso, che è a sua volta trascurabile rispetto a quello totale – mentre la massa si trova principalmente nelle regioni esterne dell’ammasso”, spiega Ginevra Trinchieri, ricercatrice INAF e co-autrice del lavoro. “Che importanza può avere quello che succede a milioni di anni-luce di distanza sulla piccola frazione di gas usata per le misure? E viceversa, quanto può essere influenzata la materia oscura da una quantità minuscola di massa milioni di anni-luce più in là? Ben poco”.
Il nuovo studio è stato possibile grazie alla compilazione di un campione di ammassi di bassa brillanza superficiale con dati di qualità. Questo ha fatto emergere aspetti non evidenti nella maggior parte dei campioni disponibili nella letteratura scientifica, che tendono a non includere questi ammassi perché difficili da osservare.
“A livello pratico, come nella preparazione di una torta è necessario conoscere la quantità, ossia massa, di farina per calibrare gli altri ingredienti, così è fondamentale conoscere la massa degli ammassi in qualunque studio li riguardi”, conclude Andreon. “Venendo a mancare una relazione stretta tra temperatura e massa, dovremo ripensare a quale altra caratteristica usare per stimare la massa degli ammassi”.
