In una nuova era di ricerca diffusa sulla materia oscura, l'idea controversa della sua concentrazione in dischi sottili sta uscendo dall'oblio scientifico
Nel 1932, l'astronomo olandese Jan Oort contò le stelle nella Via Lattea e scoprì che mancavano. Basandosi sul fatto che le stelle, muovendosi in cerchio nel piano della galassia, saltano su e giù come cavalli su una giostra, Oort ha calcolato che la materia che esercita un effetto gravitazionale su di loro e le mette in moto dovrebbe essere il doppio di quanto ha visto … Oort postulò che la mancanza fosse compensata dalla "materia oscura" nascosta e suggerì che fosse concentrata nel disco, il che spiega il movimento delle stelle.
Tuttavia, la scoperta della materia oscura, come viene chiamata materia invisibile e indeterminata, che costituisce i cinque sesti della massa dell'universo, è solitamente attribuita all'astronomo svizzero-americano Fritz Zwicky, che nel 1933 ne derivò l'esistenza dai movimenti reciproci delle galassie. Oort non era molto conosciuto perché era sulla strada sbagliata. Nel 2000, gli autori di nuovi studi sulla Via Lattea, utilizzando il metodo Oort, hanno stabilito che la massa "mancante" era contenuta in deboli stelle, gas e polvere, e la necessità di un disco scuro non era più necessaria. Suggerimenti da 80 anni fa indicano che la materia oscura, qualunque essa sia, forma nuvole sferiche attorno alle galassie, chiamate "aloni".
Beh, almeno questo è quello che dicono la maggior parte dei cacciatori di materia oscura. Ma sebbene il concetto di disco oscuro abbia perso la sua popolarità, non è mai stato abbandonato del tutto. Più di recente, l'idea ha trovato una grande fan di Lisa Randall, una professoressa di fisica all'Università di Harvard, che ha sollevato la teoria del disco dall'oblio scientifico e l'ha spinta al centro della scena galattica.
Avendo proposto il loro modello nel 2013, Randall e colleghi hanno da allora sostenuto che il disco oscuro potrebbe spiegare i raggi gamma emanati dal centro galattico, la distribuzione piatta delle galassie nane in orbita attorno alla nebulosa di Andromeda e la Via Lattea, e persino cadute periodiche di comete ed estinzioni di massa. specie sulla Terra. Ne ha scritto nel suo popolare libro di scienze Dark Matter and the Dinosaurs, pubblicato nel 2015.
Tuttavia, gli astrofisici che inventano la Via Lattea hanno protestato, sostenendo che la massa totale della galassia e i salti delle sue stelle corrispondono troppo bene, non lasciando spazio a un disco scuro. "È molto più stretto di quanto Lisa Randall pensi", dice l'astrofisico dell'Università di Toronto Jo Bovy.
Ora Randall, che ha sviluppato una serie di grandi idee su questioni critiche nella fisica fondamentale, sta contrattaccando. In un articolo pubblicato online la scorsa settimana e accettato per la pubblicazione su The Astrophysical Journal, Randall e il suo studente Eric Kramer hanno trovato una scappatoia a forma di disco nella loro analisi della Via Lattea: "C'è un dettaglio importante che abbiamo ancora non hanno ancora prestato attenzione, scrivono. "Il disco può creare spazio per se stesso."
Se un disco scuro attraversa il piano medio della galassia, sostengono Randall e Kramer, la gravità attira il resto della materia verso l'interno, portando ad un aumento della densità di stelle, gas e polvere nel piano mediano. Gli scienziati di solito calcolano la massa apparente totale della Via Lattea estrapolando verso l'esterno in base alla densità del piano medio. Se c'è un effetto costrittivo, questa estrapolazione porterà a un'esagerazione della massa apparente, e quindi si ha l'impressione che la massa corrisponda al moto delle stelle. Per questo motivo, gli autori di studi precedenti non hanno visto prove di un disco scuro, afferma Kramer. Insieme a Randall, credono che un disco sottile e scuro sia possibile e che per certi versi la sua presenza sia preferibile alla sua assenza.
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"Il lavoro di Lisa ha rilanciato questa attività", afferma Chris Flynn della Swinburne University of Technology di Melbourne, in Australia. Lui, insieme a Johan Holmberg (Johan Holmberg) nei primi anni 2000 ha condotto diversi "inventari" della Via Lattea, che sembravano distruggere completamente tutte le possibilità per l'esistenza di un disco oscuro.
Bowie non è d'accordo. Anche se teniamo conto dell'effetto costrittivo, secondo la sua stima, non più del 2% della quantità totale di materia oscura può essere nel disco oscuro, mentre il resto della materia dovrebbe formare un alone. "Penso che la maggior parte delle persone voglia capire qual è il 98% della materia oscura, non il 2%", dice.
Questo dibattito, come il destino del disco oscuro, potrebbe presto essere risolto. Il satellite Gaia dell'Agenzia spaziale europea sta attualmente rilevando le posizioni e le velocità di un miliardo di stelle e un registro definitivo della Via Lattea potrebbe essere completato entro la fine della prossima estate.
Giovane ammasso galattico Abell 2151 nella costellazione di Ercole
ESO / INAF-VST / OmegaCAM / A. Fujii / Digitized Sky Survey 2
Aprire un disco scuro di qualsiasi dimensione sarebbe estremamente rivelatore. Se esiste, la materia oscura si rivelerà molto più complessa di quanto gli scienziati abbiano creduto a lungo. La materia si raccoglie in una forma a disco solo se ha la capacità di emettere energia e il modo migliore per emettere energia sufficiente è formare atomi. L'esistenza di atomi oscuri significherebbe che i protoni oscuri e gli elettroni oscuri, caricati come protoni ed elettroni visibili, interagiscono tra loro attraverso la forza oscura trasmessa dai fotoni oscuri. Anche se il 98% della materia oscura è inerte e forma un alone, l'esistenza del disco oscuro più sottile significherebbe la presenza di un "settore oscuro" di particelle sconosciute, diverse come l'Universo visibile.
“La materia ordinaria è piuttosto complessa; c'è materia che ha un ruolo negli atomi e c'è materia che non gioca, dice l'astrofisico dell'Università della California, Irvine, James Bullock. "Pertanto, non sarebbe folle immaginare che anche gli altri cinque sesti della materia nell'universo siano piuttosto complessi e che una certa parte di questo settore oscuro esista sotto forma di atomi legati".
Il concetto di complessità della materia oscura ha recentemente trovato sempre più sostenitori, aiutati da anomalie astrofisiche, che non si adattano realmente all'idea della materia oscura come particelle massicce passive, lente e "debolmente interagenti". Queste anomalie, così come il fatto che nel corso di esperimenti dettagliati in diversi paesi del mondo tali particelle pesanti e debolmente interagenti (WIMP) non sono mai state rilevate, hanno indebolito questa teoria e segnato l'inizio di una nuova era in cui chiunque può ipotizzare che sia per una tale bestia - materia oscura.
Questa era è arrivata nel 2008, quando i partecipanti all'esperimento PAMELA hanno scoperto un eccesso di positroni provenienti dallo spazio (rispetto agli elettroni). Questa asimmetria ha alimentato l'interesse per l'ormai popolare modello di "materia oscura asimmetrica" proposto da Kathryn Zurek e dai suoi colleghi. All'epoca c'erano poche idee in circolazione, a parte il concetto di wimps. "C'erano modellisti come me che capivano che l'idea della materia oscura era completamente sottosviluppata in questa direzione", dice Tsurek, che ora lavora al National Laboratory. Lawrence Berkeley in California. "Quindi ci siamo tuffati a capofitto in questo lavoro."
La densità delle galassie nane era un altro stimolo. Quando gli scienziati cercano di simulare la loro formazione, le galassie nane tendono ad essere troppo dense nei loro centri a meno che gli scienziati non presumano che le particelle di materia oscura possano interagire tra loro usando forze oscure. Ma se qui aggiungiamo un'interazione troppo forte, distruggiamo i modelli di formazione della struttura nell'Universo primordiale.
"Stiamo cercando di capire cosa può essere tollerato", afferma Bullock, che progetta anche questi modelli. La maggior parte dei modellatori consente interazioni deboli che non influenzano la forma dell'alone di materia oscura. "Ma ciò che è straordinario è che esiste una classe di materia oscura che consente ai dischi di formarsi", afferma Bullock. In questo caso, solo una minuscola frazione di particelle di materia oscura interagirà, ma interagiranno abbastanza fortemente da dissipare energia e quindi formare dischi.
Randall e i suoi colleghi JiJi Fan, Andrey Katz e Matthew Reece nel 2013 hanno avuto questa idea allo stesso modo di Oort. Hanno cercato di spiegare l'apparente anomalia della Via Lattea. La cosiddetta linea di Fermi è un eccesso di raggi gamma di una certa frequenza provenienti dal centro galattico. "La materia oscura ordinaria non potrebbe distruggere abbastanza per produrre la linea di Fermi", dice Randall, "e così abbiamo pensato, e se fosse molto più densa?" Quindi il disco oscuro ha avuto una seconda vita. La linea di Fermi è scomparsa con l'emergere di altri dati, ma valeva ancora la pena esplorare l'idea del disco. Nel 2014 Randall e Rees hanno suggerito che è proprio a causa del disco che ci sono intervalli di 30-35 milioni di anni tra la crescente attività di comete e meteore.che alcuni scienziati associano a periodiche estinzioni di massa. Ogni volta che il sistema solare rimbalza su o giù sulla giostra della Via Lattea, sostengono, l'effetto gravitazionale del disco potrebbe destabilizzare asteroidi e comete nella nube di Oort, una discarica alla periferia del nostro sistema solare che prende il nome da un astronomo olandese. Questi oggetti volano verso la parte interna del sistema solare e alcuni cadono sulla Terra.
Ma Randall e il suo team hanno fatto solo una superficiale e, come si è scoperto, un'analisi errata di quanto spazio rimane per il disco scuro nella massa totale della Via Lattea, come giudicato dal movimento delle stelle. "Hanno fatto alcune dichiarazioni oltraggiose", ha detto Bovey.
Randall, nota tra i suoi colleghi per la sua tenacia (secondo Rhys), ha portato Kramer nel caso per rispondere alle critiche e "appianare tutte le rughe" nell'analisi prima che i dati di Gaia fossero disponibili. Una nuova analisi ha mostrato che una volta che esisteva un disco scuro, non poteva essere così denso come inizialmente credeva il suo team. Ma c'era spazio per un disco sottile e scuro, a causa del suo effetto costrittivo e dell'incertezza aggiuntiva causata dalla pura deriva delle stelle nella Via Lattea osservata.
Chris McKee e colleghi dell'Università della California a Berkeley hanno identificato un nuovo problema, di cui hanno scritto su The Astrophysical Journal. McKee pensa che un disco sottile e scuro potrebbe ancora penetrare nella memoria di massa della Via Lattea. Ma questo disco può essere così sottile che semplicemente crolla. Citando la ricerca degli anni '60 e '70, McKee ei suoi colleghi scrivono che i dischi non possono essere molto più sottili del disco di gas visibile nella Via Lattea, poiché collasserebbero. "Forse la materia oscura ha proprietà che sono diverse dalle proprietà della materia ordinaria e lo impediscono, ma non so cosa potrebbe essere," - ha detto McKee.
Randall deve ancora respingere questo ultimo attacco, definendolo "una domanda delicata attualmente in fase di studio". Ha anche concordato con l'opinione espressa da Bowie - che il disco di atomi scuri carichi è insignificante rispetto alla natura del 98% della materia oscura. Sta ora esplorando la possibilità che tutta la materia oscura possa essere caricata con una singola forza oscura, ma a causa dell'eccesso di protoni oscuri rispetto agli elettroni oscuri, solo una minuscola frazione è legata agli atomi e portata nel disco. In questo caso, il disco e l'alone devono essere composti dagli stessi elementi, "il che sarebbe più economico", afferma. "Abbiamo pensato che potesse essere escluso, ma non ha funzionato".
Finora, il disco oscuro continua a vivere - come simbolo di tutto ciò che è sconosciuto sul lato oscuro dell'universo. "Penso che sia molto, molto utile in quest'area che persone diverse stiano guardando idee diverse", afferma Bullock. "Perché non abbiamo idea di cosa sia - materia oscura, e dobbiamo essere preparati per una varietà di opzioni".
