Al giorno d’oggi, si pensa che tutte le galassie e gli ammassi di galassie siano dominati dalla materia oscura, che tiene impegnati gli astronomi nel suo studio. Abell 611, l’ammasso di galassie luminoso mostrato in questa immagine del telescopio spaziale Hubble, è un bersaglio popolare per lo studio della materia oscura, in parte a causa dei numerosi esempi di forte lensing gravitazionale visibili nell’intricata rete di galassie dell’ammasso.
Per celebrare Halloween, Hubble offre questa immagine di Abell 611, situato a oltre 1000 megaparsec, circa 3,2 miliardi di anni luce, dalla Terra. Come tutti gli ammassi di galassie, la continua esistenza di Abell 611 pone un mistero per gli astronomi. In particolare, non sembra esserci abbastanza massa contenuta all’interno della sua rete di galassie in rapida rotazione per impedire all’ammasso di disintegrarsi.
Si tratta di un problema ben consolidato in astronomia con strutture molto massicce, come galassie e ammassi di galassie: semplicemente non sembrano contenere abbastanza massa combinata per rimanere integre. È interessante notare che questo problema non si presenta su scale cosmiche più piccole. Ad esempio, il passaggio dei pianeti del Sistema Solare attorno al Sole può essere calcolato in modo relativamente semplice utilizzando le masse e le posizioni dei pianeti e del Sole. Non è necessaria alcuna massa extra per spiegare l’integrità del Sistema Solare o di altri sistemi pianeta-stella. Allora perché questa regola intuitiva si rompe su scala più ampia?
La materia oscura
La teoria prevalente è che l’universo contenga grandi quantità di una sostanza nota come materia oscura. Anche se il nome potrebbe suonare minaccioso, l’aggettivo “oscura” si riferisce semplicemente al fatto che questa quantità sconosciuta non sembra interagire con la luce come fa l’altra materia, né emettendo, né riflettendo, né assorbendo alcuna parte dello spettro elettromagnetico. Questa qualità oscura rende la materia oscura incredibilmente difficile da caratterizzare, sebbene siano state ipotizzate varie possibilità.
In sostanza, la maggior parte dei candidati alla materia oscura rientra in una di queste due categorie: un qualche tipo di particella che esiste in grandi quantità in tutto l’universo, ma che per qualche ragione non interagisce con la luce come fanno le altre particelle; o qualche tipo di oggetto massiccio che esiste in grande abbondanza in tutto l’universo, ma non si presta al rilevamento utilizzando l’attuale tecnologia dei telescopi.
Due dei candidati alla materia oscura dai nomi più stravaganti rientrano rispettivamente nella prima e nella seconda categoria. Le particelle di grande massa debolmente interagenti (WIMP) sono ipotetiche particelle subatomiche che non interagiscono con i fotoni – in altre parole, non interagiscono con la luce. Gli oggetti compatti massicci di alone (MACHO) sono un insieme ipotetico di oggetti molto massicci realizzati (a differenza dei WIMP) con un tipo di materia che già conosciamo, ma che sono estremamente difficili da osservare poiché emettono molta poca luce. Nonostante gli enormi sforzi, tuttavia, non è stata trovata alcuna prova conclusiva di WIMP, MACHO o qualsiasi altra forma di materia oscura.
Se la materia oscura rimane ostinatamente indefinibile, fortunatamente è facilmente quantificabile. In effetti, gli ammassi di galassie come Abell 611 sono laboratori ideali per la quantificazione della materia oscura, a causa dell’abbondante evidenza di lensing gravitazionale visibile all’interno dell’ammasso. Un esempio di lensing è forse più chiaramente visibile al centro dell’immagine, a sinistra del nucleo luminoso dell’ammasso, dove si può vedere una curva di luce. Questa curva è la luce di una sorgente più distante che è stata piegata e distorta dalla vasta massa di Abell 611. La misura in cui la luce è stata piegata dall’ammasso può essere utilizzata per misurare la sua vera massa. Questa può quindi essere confrontata con una stima della sua massa derivata da tutte le componenti visibili dell’ammasso. La differenza tra la massa calcolata e la massa osservata è sbalorditiva. In effetti, gli astronomi attualmente stimano che circa l’85% della materia nell’universo sia materia oscura.
Anche se il mistero di ciò che tiene insieme la ragnatela cosmica di galassie all’interno di Abell 611 rimane irrisolto, possiamo ancora goderci questa immagine e l’affascinante scienza – sia ben consolidata che teorizzata – che avviene al suo interno.
