Come JWST testerà modelli di materia oscura fredda

La mattina di Natale del 2021, un razzo Ariane 5 CEA è decollato da Kourou, nella Guinea francese. Portava con sé il telescopio spaziale più grande e sofisticato mai costruito: il James Webb Space Telescope.

Da allora, JWST ha raggiunto la sua orbita a circa 1 milione di miglia dalla Terra, ha spiegato il suo parasole delle dimensioni di un campo da tennis e ha allineato i suoi 18 segmenti di specchi esagonali. Le prime immagini del telescopio sono attese entro l’estate.

Nel prossimo decennio, JWST effettuerà osservazioni all’avanguardia per aiutare gli scienziati a rispondere a una miriade di domande in sospeso in astronomia, comprese le domande sulla natura della materia oscura.

Caldo, caldo o freddo

La materia oscura è una sostanza enigmatica che gli scienziati ritengono rappresenti l’85% della materia nell’universo. Ma finora non è stato osservato direttamente; Gli scienziati possono dedurre la presenza della materia oscura solo osservando i suoi effetti gravitazionali sulla materia normale.

Diverse teorie postulano diversi tipi di particelle di materia oscura. I candidati alla materia oscura considerati “caldi” o “caldi” sono particelle che si sarebbero mosse così rapidamente nell’universo primordiale che la gravità non sarebbe stata in grado di confinarle. D’altra parte, si pensa che i candidati alla materia oscura considerati “freddi” si siano mossi così lentamente che la gravità li avrebbe formati in piccole strutture di materia oscura che alla fine si sarebbero fuse in strutture più grandi e “grumose”.

“Decenni di simulazioni al computer hanno testato come la struttura si forma e cresce sotto l’ipotesi della materia oscura fredda”, afferma Matthew Walker, professore associato di fisica alla Carnegie Mellon University.

Le simulazioni di materia oscura fredda mostrano che la materia oscura si accumula in piccoli blob, che incontrano altri blob e si fondono insieme, continuando a formare palle di neve fino a quando non si formano grandi strutture come la Via Lattea. Queste macchie di materia oscura legate gravitazionalmente sono conosciute come aloni.

JWST può vedere il tuo alone

Anna Nierenberg, assistente professore di fisica all’Università della California, Merced, ha ricevuto 39 ore di osservazione durante il Ciclo 1 di JWST per cercare piccoli aloni di materia oscura.

Molti modelli, incluso il modello di base della materia oscura, prevedono l’esistenza di piccole dimensioni (107 massa solare) aloni che in realtà non contengono galassie. Un tale alone “sarebbe solo una massa di materia oscura” senza stelle al suo interno, dice Nierenberg.

Se non ci sono stelle all’interno di queste macchie di materiale invisibile, come possiamo anche provare a rilevarle? Nierenberg e il suo team di quasi 20 scienziati negli Stati Uniti, Canada, Regno Unito, Svizzera, Spagna, Belgio e Cile stanno utilizzando un fenomeno chiamato lente gravitazionale.

Nato dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein, il lensing gravitazionale afferma che la materia piega lo spaziotempo e, di conseguenza, qualsiasi luce che la incontri. Se la luce proveniente da una sorgente lontana viaggia attraverso l’universo verso la Terra e passa vicino a un oggetto massiccio, come una massa di materia oscura, la luce si deformerà attorno ad esso. Se l’oggetto intermedio è sufficientemente massiccio, la luce viene deviata in modo tale da poter vedere fino a quattro immagini della sorgente luminosa che appaiono attorno alla massa.

Il gruppo di Nierenberg misurerà il numero di piccoli aloni di materia oscura osservando un campione di quasar (buchi neri supermassicci a distanze cosmologiche circondati da polverosi dischi di accrescimento) che sono stati sottoposti a lenti gravitazionali. Rilevare piccoli aloni sarebbe un trionfo per la fredda teoria della materia oscura; al contrario, non rilevare piccoli aloni implicherebbe che la materia oscura fredda non esiste.

Poiché la luce di questi quasar deve viaggiare a grande distanza in un universo in continua espansione, viene allungata lungo il percorso, trascinando le sue lunghezze d’onda nella gamma dell’infrarosso. Le lunghezze d’onda del medio infrarosso che stanno osservando sono quasi impossibili da vedere con i telescopi terrestri. “Osserveremo con bande di rifiuto assoluto che JWST può ospitare”, afferma Nierenberg.

Queste lunghezze d’onda non possono essere osservate dal telescopio spaziale Hubble, che studia le lenti gravitazionali alle lunghezze d’onda visibili. E i vecchi telescopi spaziali che possono vedere nel medio infrarosso non hanno la risoluzione per separare le diverse lenti. Fare queste osservazioni nel medio IR richiede l’elevata risoluzione spaziale che solo il JWST può fornire, afferma Nierenberg.

Daniel Gilman, un post-dottorato presso l’Università di Toronto e uno dei co-ricercatori di Nierenberg, afferma: “Il tipo di dati che possiamo ottenere con JWST è unico e molto più potente o vincolante rispetto al tipo di dati che potremmo ottenere con Hubble o da terra”.

Nierenberg afferma: “Credo davvero che questo sarà un enorme passo avanti scientifico”.

Guardando in lungo e in largo

Walker sta guidando un altro progetto sulla materia oscura nel Ciclo 1 di JWST, ma il suo gruppo non ha fatto domanda per il tempo di osservazione. Invece, stanno usando i dati che JWST sta raccogliendo per altri programmi.

La “ricerca d’archivio” del gruppo di Walker sta esaminando le galassie nane per trovare ampie stelle binarie, sistemi di due stelle in orbita l’una attorno all’altra a distanze relativamente grandi (dell’ordine di un parsec, leggermente inferiore alla distanza tra il sole e il nostro vicino più vicino, Proxima Centauri).

“Perché [wide binary stars] sono così distanti, sono sistemi molto fragili”, afferma Walker. “Se, per esempio, un piccolo alone di materia oscura dovesse volare oltre un ampio sistema di stelle binarie, potrebbe scambiare energia con una o entrambe le stelle in quel sistema. E ci vuole solo una piccola frazione di una frazione di un aumento percentuale dell’energia di una delle stelle per fare a pezzi la coppia”.

Se il team di Walker trova ampie stelle binarie, “possiamo essere ragionevolmente fiduciosi che quegli aloni subgalattici di materia oscura fredda non esistono”, dice. “E questo, quindi, sarebbe un vero problema per il modello freddo della materia oscura in generale”.

Questo è ciò che piace del progetto a Katharine Lee, una studentessa di fisica alla Carnegie Mellon nel gruppo di Walker. “Penso in particolare che questa ricerca sia davvero interessante perché l’attuale struttura di ciò che consideriamo la struttura della materia oscura è il modello della materia oscura fredda e la ricerca condotta dal professor Walker potrebbe potenzialmente invalidarlo”.

Se il gruppo non ha trovato stelle binarie larghe, potrebbe essere un segno che sono state distrutte dalla materia oscura. Ma non dimostrerebbe che siano state distrutte: potrebbero semplicemente non essersi mai formate in queste galassie nane in primo luogo.

Walker afferma che JWST è uno strumento ideale per questa ricerca grazie alla sua “squisita sensibilità agli oggetti deboli”, nonché alle capacità del telescopio di acquisire immagini di alta qualità e distinguere coppie di sorgenti a separazioni molto piccole. E grazie al suo specchio primario di 21 piedi di diametro, JWST vedrà più lontano di qualsiasi altro telescopio mai costruito.

“Penso che JWST ci darà una prospettiva nuova e davvero potente”, afferma Jorge Peñarrubia, professore all’Università di Edimburgo e uno dei co-investigatori di Walker. “Ma anche se fallisce, troveremo altri modi.”

In effetti, ci sono molte altre tecniche che gli scienziati usano per cercare la materia oscura, comprese le ricerche dirette da esperimenti di fisica. E sia Nierenberg che Walker stanno usando lenti gravitazionali e metodi a stella binaria larga sui dati del telescopio spaziale Hubble mentre aspettano che JWST apra gli occhi.

I futuri programmi scientifici del JWST potrebbero esplorare ulteriormente i misteri della materia oscura, sia attraverso le lenti gravitazionali che forse osservando le statistiche dell’evoluzione delle galassie che gli scienziati possono quindi confrontare con le teorie della materia oscura.

“Non ci mancano le teorie su cosa potrebbe essere la materia oscura. Ce ne sono molti”, dice Gilman. “Ciò che ci manca sono le osservazioni che esercitano molto potere vincolante su queste teorie. Ed è qualcosa che JWST ci darà”.

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