Nuove evidenze sulla natura della materia dalle più antiche galassie dell’Universo primordiale

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Mercoledì, 29 Marzo 2023 12:36

Due astrofisici in servizio a Trieste hanno fatto nuova luce sulla natura della materia a partire dalla scoperta da parte del Telescopio Spaziale James Webb (JWST) di alcune galassie 13 miliardi di anni fa ed usando simulazioni numeriche nuove e all’avanguardia. Lo studio aggiunge un altro pezzo al puzzle della natura della materia nell’Universo.

Benché il paradigma più comunemente accettato per la formazione delle strutture sia basato su materia non relativistica che interagisce solo gravitazionalmente, cioè materia oscura fredda, delle alternative invocate per risolvere i problemi su piccola scala dello scenario standard poggiano le loro basi sull’ipotesi che la materia sia fatta di particelle calde che possiedono una velocità termica piccola, ma non trascurabile, ossia materia oscura calda.  “Abbiamo trovato che le recenti scoperte da parte di JWST di galassie nella prima frazione di miliardo di anni dopo il Big Bang sono prove preziose della natura della materia”, dice il Dr Umberto Maio ricercatore dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) presso l’Osservatorio Astronomico di Trieste e primo autore dell’articolo che descrive la scoperta appena pubblicata su Astronomy & Astrophysics (vol 672, ref = A71).

La ricerca dimostra che la materia oscura, il principale costituente della materia nell’Universo, è fatta di particelle che sono o fredde o appena tiepide con una massa superiore a 2 keV. I modelli di materia oscura ‘calda’ con masse particellari più leggere di tale limite vengono escluse dallo studio. Mentre lavori precedenti avevano messo fuori discussione la possibilità di discriminare la natura della materia con l’uso di dati di epoche recenti, dati relativi a tempi molto più remoti e simulazioni numeriche ad hoc — le basi del nuovo studio — erano necessari per fornire informazioni sugli andamenti statistici delle galassie primordiali e rompere le degenerazioni tra i modelli.

“Abbiamo applicato la nostra nuova, raffinata implementazione numerica di formazione delle prime galassie per interpretare gli ultimi dati di JWST” dice il Dr Maio. “E abbiamo visto che, durante il periodo in cui le prime stelle e galassie si formano, le proprietà visibili delle strutture presenti nell’Universo dipendono dalla massa delle particelle di materia oscura.” Infatti, lo studio ha evidenziato che la formazione stellare cosmologica, le luminosità ultraviolette e le abbondanze molecolari variano nei diversi modelli di materia oscura e tali variazioni possono essere confrontate con gli ultimi dati del telescopio JWST.

“Lo studio è stato costruito sulle eccezionali osservazioni di galassie nel primo mezzo miliardo di anni effettuate con JWST e pubblicate sul finire del 2022”, dice il Prof. Matteo Viel della SISSA di Trieste e coautore della ricerca. “Questa è un’importante applicazione dei dati scientifici di epoche così primordiali per determinare la natura della materia oscura. Grazie a JWST abbiamo osservato le galassie più distanti dell’Universo e le proprietà di queste ci danno chiare informazioni sui loro costituenti.”

Questo grande traguardo è stato raggiunto grazie a JWST, uno dei più potenti telescopi in orbita nello spazio, collaborazione internazionale di NASA, Agenzia Spaziale Europea e Agenzia Spaziale Canadese. La ricerca mostra come due osservabili, la funzione di luminosità delle galassie e la funzione di correlazione delle galassie su piccole scale, soprattutto quando usati in combinazione, siano promettenti per discriminare tra diversi modelli di materia oscura. I risultati dello studio sono anche in accordo con le proprietà del mezzo intergalattico, la ‘ragnatela cosmica’, in epoche più recenti.

“In futuro, quando altri dati per sorgenti piccole, deboli e giovani saranno disponibili, ulteriori ritrovamenti potrebbero arrivare dalla statistica primordiale di masse stellari e monossido di carbonio” concludono gli scienziati. La scoperta di galassie così antiche dimostra che tali strutture si possono formare in una frazione di miliardo di anni — che nel contesto cosmologico corrisponde and un battito di ciglia. Perciò, nel prossimo futuro saranno possibili ulteriori localizzazioni di galassie primordiali e ciò spianerà la strada ad una migliore comprensione della natura della materia.

Distribuzione della materia primordiale in modelli cosmologici con materia oscura calda (WDM, sinistra) e materia oscura fredda (CDM, destra).