Per molti anni gli scienziati non sono stati in grado di trovare un pezzo di materia nell'universo. I materiali pubblicati di recente mostrano dove si nasconde.
Gli astronomi hanno finalmente trovato gli ultimi pezzi mancanti dell'universo. Si sono nascosti dalla metà degli anni '90 e ad un certo punto i ricercatori hanno deciso di fare un inventario di tutta la materia "ordinaria" nello spazio, comprese le stelle, i pianeti, il gas, cioè tutto ciò che è costituito da particelle atomiche. (Questa non è "materia oscura", che è un mistero a parte.) Gli scienziati avevano un'idea abbastanza chiara di quanto questa materia dovesse essere, sulla base delle conclusioni di studi teorici sulla sua origine al tempo del Big Bang. Gli studi sul fondo cosmico a microonde (i resti di luce del Big Bang) hanno successivamente confermato queste stime iniziali.
Hanno messo insieme tutta la materia che hanno potuto vedere: stelle, nuvole di gas e simili. Cioè, tutti i cosiddetti barioni. Rappresentavano solo il 10% di quello che avrebbe dovuto essere. E quando gli scienziati sono giunti alla conclusione che la materia ordinaria rappresenta solo il 15% di tutta la materia nell'Universo (il resto è materia oscura), a quel punto avevano inventariato solo l'1,5% di tutta la materia nell'Universo.
Dopo aver condotto una serie di studi, gli astronomi hanno recentemente trovato gli ultimi pezzi di materia ordinaria nell'universo. (Sono ancora perplessi, non sapendo di cosa sia composta la materia oscura.) E sebbene ci sia voluto molto tempo per la ricerca, gli scienziati l'hanno trovata esattamente dove si aspettavano di trovarla: negli enormi riccioli di gas caldi che occupano i vuoti tra le galassie. Più precisamente, sono chiamati ambiente intergalattico caldo-caldo (WHIM).
Le prime indicazioni che potrebbero esistere vaste regioni di gas essenzialmente invisibile tra le galassie provenivano da simulazioni al computer nel 1998. "Volevamo vedere cosa succede a tutto questo gas nell'universo", ha detto il cosmologo Jeremiah Ostriker della Princeton University, che ha costruito uno di questi modelli con il suo collega Renyue Cen. Questi scienziati hanno modellato il movimento del gas nell'universo sotto l'influenza della gravità, della luce, delle esplosioni di supernova e di tutte le forze che muovono la materia nello spazio. "Abbiamo scoperto che il gas si accumula in filamenti rilevabili", ha detto Ostricker.
Ma non sono riusciti a trovare questi fili - allora.
"Fin dai primi giorni di modellazione cosmologica, è diventato chiaro che una parte significativa della materia barionica esiste in una forma calda e diffusa al di fuori delle galassie", ha detto un astrofisico dell'Università di Liverpool. John Moores Ian McCarthy. Gli astronomi pensavano che questi barioni caldi corrispondessero a una sovrastruttura cosmica fatta di materia oscura invisibile che riempie i vuoti giganti tra le galassie. La forza di attrazione della materia oscura dovrebbe attirare il gas e riscaldarlo a una temperatura di diversi milioni di gradi. Sfortunatamente, trovare gas caldo e rarefatto è estremamente difficile.
Per scoprire i fili nascosti, due team di scienziati hanno iniziato a cercare indipendentemente distorsioni precise della radiazione della reliquia (bagliore residuo del Big Bang). Poiché la luce dell'universo primordiale fluisce attraverso lo spazio esterno, può essere influenzata dalle regioni che attraversa. In particolare, gli elettroni in un gas ionizzato caldo (che costituisce un mezzo intergalattico caldo-caldo) dovrebbero interagire con i protoni della radiazione relitta, e in modo tale da fornire ai protoni energia aggiuntiva. Di conseguenza, lo spettro del CMB dovrebbe essere distorto.
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Sfortunatamente, anche le migliori mappe CMB (ottenute dal satellite Planck) non hanno mostrato tali distorsioni. O non c'era gas o l'impatto era troppo debole e impercettibile.
Ma gli scienziati delle due squadre erano determinati a renderlo visibile. Sapevano dai modelli al computer dell'universo, in cui apparivano sempre più dettagli, che il gas dovrebbe allungarsi tra galassie enormi come una ragnatela sul davanzale di una finestra. Il satellite Planck non è stato in grado di vedere da nessuna parte il gas tra coppie di galassie. Quindi i ricercatori hanno escogitato un modo per amplificare un segnale debole un milione di volte.
Per prima cosa, hanno scansionato cataloghi di galassie conosciute nel tentativo di trovare le coppie corrette, cioè galassie sufficientemente massicce e distanti l'una dall'altra che potrebbe apparire una rete di gas abbastanza densa tra di loro. Gli astrofisici sono quindi tornati ai dati satellitari, hanno localizzato ogni coppia di galassie e hanno essenzialmente scolpito quella regione nello spazio con le forbici digitali. Con oltre un milione di ritagli nelle loro mani (questo è quanto aveva il team della dottoranda dell'Università di Edimburgo Anna de Graaff), iniziarono a ruotarli, ingrandirli e ridurli in modo che tutte le coppie di galassie fossero visibili nella stessa posizione. Dopodiché si sovrapposero un milione di coppie galattiche L'un l'altro.(Un team di ricercatori guidato da Hideki Tanimura dell'Institute for Space Astrophysics di Orsay ha assemblato 260.000 coppie di galassie.) E poi i singoli filamenti, che rappresentano filamenti spettrali di gas caldo rarefatto, sono diventati improvvisamente visibili.
Questo metodo ha i suoi svantaggi. Secondo l'astronomo Michael Shull dell'Università del Colorado Boulder, l'interpretazione dei risultati richiede alcune ipotesi sulla temperatura e sulla distribuzione del gas caldo nello spazio. E con segnali sovrapposti, “c'è sempre preoccupazione per i 'segnali deboli' che risultano dalla combinazione di un'enorme quantità di dati. "Come talvolta accade con le indagini sociologiche, è possibile ottenere risultati errati quando nella ripartizione compaiono valori anomali o errori di campionamento casuale che distorcono le statistiche".
Sulla base in parte di queste considerazioni, la comunità astronomica ha rifiutato di considerare la questione come risolta. Era necessario un metodo indipendente per misurare i gas caldi. Quest'estate è apparso.
Effetto faro
Mentre i primi due gruppi di ricercatori si sovrapponevano i segnali, il terzo team ha iniziato ad agire in modo diverso. Questi scienziati hanno iniziato a osservare un quasar distante, come chiamano un oggetto luminoso a miliardi di anni luce di distanza, per rilevare il gas nello spazio intergalattico presumibilmente vuoto attraverso il quale passa la sua luce. Era come esaminare un raggio proveniente da un faro lontano per analizzare la nebbia che si era accumulata attorno ad esso.
Di solito, quando gli astronomi fanno tali osservazioni, cercano la luce assorbita dall'idrogeno atomico, poiché questo elemento è il più presente nell'universo. Purtroppo, in questo caso, questa opzione è stata esclusa. Il mezzo intergalattico caldo-caldo è così incandescente che ionizza l'idrogeno, privandolo del suo unico elettrone. Il risultato è un plasma di protoni ed elettroni liberi che non assorbono affatto la luce.
Pertanto, gli scienziati hanno deciso di cercare un altro elemento: l'ossigeno. L'ossigeno in un mezzo intergalattico caldo-caldo è molto inferiore all'idrogeno, ma l'ossigeno atomico ha otto elettroni, mentre l'idrogeno ne ha uno. A causa del calore, la maggior parte degli elettroni vola via, ma non tutti. Questo gruppo di ricerca, guidato da Fabrizio Nicastro dell'Istituto Nazionale di Astrofisica di Roma, ha monitorato la luce assorbita dall'ossigeno, che ha perso sei dei suoi otto elettroni. Hanno scoperto due regioni di gas intergalattico caldo. "L'ossigeno fornisce un segnale che indica la presenza di un volume molto più grande di idrogeno ed elio", ha detto Schull, che fa parte del team di Nikastro. Gli scienziati hanno quindi confrontato la quantità di gas che hanno trovato tra la Terra e il quasar con l'universo nel suo insieme. Il risultato ha mostrato che hanno trovato il 30% mancante.
Queste cifre sono anche abbastanza coerenti con le conclusioni dello studio del CMB. "I nostri team hanno esaminato diversi pezzi dello stesso puzzle e sono giunti alla stessa conclusione, il che ci dà fiducia data la differenza nei metodi di ricerca", ha detto l'astronomo Mike Boylan-Kolchin dell'Università del Texas ad Austin.
Shull ha detto che il prossimo passo sarebbe osservare più quasar con una nuova generazione di telescopi a raggi X e ultravioletti con maggiore sensibilità. “Il quasar che abbiamo visto era il faro migliore e più luminoso che abbiamo trovato. Altri saranno meno brillanti e le osservazioni dureranno più a lungo ", ha detto. Ma per oggi la conclusione è chiara. "Concludiamo che la materia barionica mancante è stata trovata", hanno scritto gli scienziati.
Katya Moskvich (KATIA MOSKVITCH)
