Contrariamente a quanto stabilito dal modello standard, la materia oscura potrebbe effettivamente essere auto-interagente. È questa la conclusione di una ricerca pubblicata su Astronomy & Astrophysics e condotta da Riccardo Valdarnini del gruppo di Astrofisica e Cosmologia della SISSA. Utilizzando simulazioni numeriche, lo studio ha analizzato ciò che accade all’interno di “El Gordo” (letteralmente “Il Grasso” in spagnolo), una gigantesca fusione di ammassi distante sette miliardi di anni luce da noi.
I calcoli hanno indicato che in questo ammasso la separazione fisica osservata tra i punti di massima densità della materia oscura e quelli delle altre componenti di massa può essere spiegata utilizzando il cosiddetto modello SIDM (Self-Interacting dark matter), in contrasto con quello standard. Questa ricerca fornisce un importante contributo a favore del modello SIDM, secondo il quale le particelle di materia oscura si scambiano energia attraverso le collisioni, con interessanti ripercussioni astrofisiche.
El Gordo: Una gigantesca struttura cosmica per lo studio della materia oscura
“Secondo il modello cosmologico standard attualmente accettato, l’attuale densità di materia barionica dell’universo può rappresentare solo il 10% del suo contenuto totale di materia. Il restante 90% è sotto forma di materia oscura“, spiega Valdarnini, autore della ricerca.
“Generalmente si pensa che questa materia non sia barionica e sia costituita da particelle fredde senza collisioni, che rispondono solo alla gravità. Da qui il nome ‘Materia Oscura Fredda’ (CDM). Tuttavia, ci sono ancora diverse osservazioni che non sono state spiegate con il modello standard“, spiega il ricercatore. “Per rispondere a queste domande, diversi autori propongono un modello alternativo, chiamato SIDM”.
Dimostrare le proprietà collisionali della materia oscura e, più in generale, le teorie alternative a quella del modello cosmologico standard, è molto complicato. E spiega: “Esistono tuttavia laboratori unici che possono rivelarsi molto utili a questo scopo, a molti anni luce di distanza da noi. Si tratta degli ammassi massicci di galassie, gigantesche strutture cosmiche che, al momento della collisione, determinano gli eventi più energetici dal Big Bang.
“El Gordo è uno dei più grandi ammassi di galassie che conosciamo. Per le sue peculiarità, El Gordo è stato oggetto di numerosi studi, sia teorici che osservativi”.
La materia oscura potrebbe essere collisionale
Secondo il paradigma standard, durante la fusione di un ammasso il comportamento della componente collisionale della massa gassosa sarà diverso da quello delle altre due componenti – galassie e materia oscura. In questo scenario, il gas dissipa parte della sua energia iniziale.
“Questo è il motivo per cui, dopo la collisione, il picco della densità di massa del gas rimarrà indietro rispetto a quello della materia oscura e delle galassie”, spiega Valdarnini. Con il modello SIDM, tuttavia, si dovrebbe osservare un fenomeno peculiare, ovvero la separazione fisica dei centroidi della materia oscura – i suoi punti di massima densità – da quelli delle altre componenti di massa, con peculiarità che rappresentano una vera e propria “Firma dei modelli SIDM”. Secondo le osservazioni, questo è esattamente ciò che accade all’interno di “El Gordo”.
Osservare El Gordo
“Partiamo dalle osservazioni”, spiega Valdarnini. El Gordo è costituito da due massicci sottoammassi, denominati rispettivamente nord-occidentale (NW) e sud-orientale (SE). L’immagine a raggi X dell’ammasso “El Gordo” mostra un singolo picco di emissione di raggi X nel sottoammasso SE e due deboli code allungate oltre il picco di raggi X. Una caratteristica degna di nota è la posizione dei picchi delle diverse componenti di massa.
A differenza di quanto si può osservare nel Bullet Cluster, un altro importante esempio di ammasso in collisione, il picco dei raggi X precede il picco della materia oscura a SE. Inoltre, la galassia più brillante dell’ammasso (BCG) non solo segue il picco dei raggi X, ma sembra anche essere spazialmente sfasata rispetto al centroide della massa SE. Un altro aspetto degno di nota si osserva nell’ammasso NW, dove il picco di densità numerica delle galassie è spazialmente sfalsato rispetto al corrispondente picco di massa.
I risultati della ricerca suggeriscono la materia oscura collisionale come spiegazione dei fenomeni osservati in “El Gordo”.
Per spiegare le sue scoperte e convalidare i modelli SIDM, Valdarnini ha utilizzato un’ampia serie di simulazioni N-body/idrodinamiche. In questo modo, ha condotto uno studio sistematico volto a riprodurre le caratteristiche osservative di “El Gordo”.
“Il risultato più significativo di questo studio di simulazione è che le separazioni relative osservate tra i diversi centroidi di massa dell’ammasso ‘El Gordo’ si spiegano naturalmente se la materia oscura è auto-interagente”, afferma Valdarnini.
“Per questo motivo, questi risultati forniscono una firma inequivocabile di un comportamento della materia oscura che esibisce proprietà collisionali in una collisione tra ammassi molto energetici ad alto redshift. Esistono tuttavia delle incongruenze, poiché i valori della sezione d’urto SIDM ottenuti da queste simulazioni sono più alti degli attuali limiti superiori, che sono dell’ordine dell’unità su scala di ammasso.
“Ciò suggerisce che gli attuali modelli SIDM dovrebbero essere considerati solo un’approssimazione di basso ordine e che i processi fisici sottostanti che descrivono l’interazione della materia oscura nelle fusioni degli ammassi maggiori sono più complessi di quanto possa essere adeguatamente rappresentato dall’approccio comunemente ipotizzato basato sulla dispersione delle particelle di materia oscura.
“Lo studio fornisce un’argomentazione convincente sulla possibilità di un’auto-interazione della materia oscura tra gli ammassi in collisione, come alternativa al paradigma standard della materia oscura senza collisioni”.
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