Nuovi raggi X rivelano un universo scomodo come previsto dalla cosmologia | Rivista Quanti

Ammassi di centinaia o migliaia di galassie si trovano alle intersezioni di giganteschi filamenti di materia incrociati che formano l'arazzo del cosmo. Mentre la gravità attira ogni cosa in ciascun ammasso di galassie verso il proprio centro, il gas che riempie lo spazio tra le galassie viene compresso, provocandone il riscaldamento e la luminosità nei raggi X.

Il telescopio a raggi X eRosita, lanciato nello spazio nel 2019, ha trascorso più di due anni a raccogliere segnali di luce ad alta energia provenienti da tutto il cielo. I dati hanno permesso agli scienziati di mappare le posizioni e le dimensioni di migliaia di ammassi di galassie, due terzi dei quali precedentemente sconosciuti. In una sfilza di carte pubblicato online il 14 febbraio che apparirà nella rivista Astronomia e astrofisica, gli scienziati hanno utilizzato il loro catalogo iniziale di ammassi per valutare molte delle grandi domande della cosmologia.

I risultati includono nuove stime della disomogeneità del cosmo – una caratteristica molto discussa negli ultimi tempi, poiché altre misurazioni recenti hanno scoperto che è inaspettatamente liscio – e delle masse di particelle spettrali chiamate neutrini e di una proprietà chiave dell'energia oscura, la misteriosa energia repulsiva che sta accelerando l'espansione dell'universo.

Il modello dominante dell'universo dei cosmologi identifica l'energia oscura come l'energia dello spazio stesso e la fissa al 70% del contenuto dell'universo. Un ulteriore quarto dell'universo è costituito da materia oscura invisibile e il 5% da materia ordinaria e radiazioni. Tutto si evolve sotto la forza di gravità. Ma alcune osservazioni dell’ultimo decennio sfidano questo “modello standard” della cosmologia, sollevando la possibilità che al modello manchino ingredienti o effetti che potrebbero inaugurare una comprensione più profonda.

Le osservazioni di eRosita, al contrario, rafforzano il quadro esistente sotto tutti i punti di vista. "Si tratta di una notevole conferma del modello standard", ha affermato Dragan Huterer, un cosmologo dell'Università del Michigan che non era coinvolto nel lavoro.

Radiografare il cosmo

Dopo il Big Bang, le sottili variazioni di densità nell’universo appena nato divennero gradualmente più pronunciate man mano che le particelle di materia si univano le une alle altre. I ciuffi più densi attiravano più materiale e diventavano più grandi. Oggi gli ammassi di galassie sono le più grandi strutture legate gravitazionalmente nel cosmo. Determinarne le dimensioni e la distribuzione consente ai cosmologi di testare il loro modello di come si è evoluto l’universo.

Per trovare i cluster, il team di eRosita ha addestrato un algoritmo informatico a cercare sorgenti di raggi X “davvero soffici” anziché oggetti puntiformi, ha affermato Esra Bulbul dell'Istituto Max Planck per la fisica extraterrestre a Garching, in Germania, che ha guidato le osservazioni dell'ammasso di eRosita. Hanno ridotto l’elenco dei candidati a un “campione estremamente puro”, ha detto, di 5,259 ammassi di galassie, tra quasi 1 milione di fonti di raggi X rilevate dal telescopio.

Hanno quindi dovuto capire quanto sono pesanti questi grappoli. Gli oggetti massicci piegano il tessuto dello spazio-tempo, cambiando la direzione della luce che passa e facendo apparire distorta la sorgente luminosa: un fenomeno chiamato lente gravitazionale. Gli scienziati di eRosita hanno potuto calcolare le masse di alcuni dei loro 5,259 ammassi basandosi sulla lente delle galassie più distanti che si trovano dietro di loro. Anche se solo un terzo dei loro ammassi conoscevano le galassie di fondo allineate in questo modo, gli scienziati hanno scoperto che la massa dell’ammasso era fortemente correlata alla luminosità dei raggi X. A causa di questa forte correlazione, potrebbero utilizzare la luminosità per stimare le masse degli ammassi rimanenti.

Hanno poi inserito le informazioni sulla massa in simulazioni computerizzate del cosmo in evoluzione per dedurre i valori dei parametri cosmici.

Misurazione della grumosità

Un numero di interesse è il “fattore di clumpness” dell’universo, S₈È stato anche creato un S₈ un valore pari a zero rappresenterebbe un vasto nulla cosmico, simile a una pianura pianeggiante senza una roccia in vista. UN S₈ il valore più vicino a 1 corrisponde a montagne ripide che incombono su valli profonde. Gli scienziati hanno stimato S₈ basato sulle misurazioni dello sfondo cosmico a microonde (CMB), l’antica luce proveniente dall’universo primordiale. Estrapolando dalle variazioni iniziali di densità del cosmo, i ricercatori si aspettano la corrente S₈ il valore sarà 0.83.

Ma studi recenti osservando le galassie oggi si misurano valori inferiori dall'8% al 10%, il che implica che l'universo è inaspettatamente liscio. Questa discrepanza ha incuriosito i cosmologi, indicando potenzialmente delle crepe nel modello cosmologico standard.

Il team di eRosita, tuttavia, non ha riscontrato tale discrepanza. "Il nostro risultato è stato sostanzialmente in linea con la previsione fin dall'inizio, da parte della CMB", ha affermato Vittorio Ghirardini, che ha condotto l'analisi. Lui e i suoi colleghi hanno calcolato un S₈ di 0.85.

Alcuni membri del team sono rimasti delusi, ha detto Ghirardini, poiché accennare alla mancanza di ingredienti era una prospettiva più entusiasmante che corrispondere alla teoria conosciuta.

La S₈ Un valore leggermente superiore alla stima del CMB probabilmente scatenerà ulteriori analisi da parte di altri team, ha affermato Gerrit Schellenberger, un astrofisico che studia gli ammassi di galassie presso l'Harvard-Smithsonian Center for Astrofisica. "Credo che probabilmente non sia l'ultimo articolo che abbiamo visto su questo argomento."

Pesare i neutrini

Nell’universo primordiale si formarono numerosi neutrini, quasi tanti quanti i fotoni (particelle di luce). Marilena Loverde, un cosmologo dell'Università di Washington. Ma i fisici sanno che i neutrini, a differenza dei fotoni, deve avere masse minuscole a causa di come oscillano tra tre tipi. Le particelle non acquisiscono massa attraverso lo stesso meccanismo delle altre particelle elementari, quindi la loro massa è un mistero molto studiato. E la prima domanda è quanto siano effettivamente enormi.

I cosmologi possono stimare la massa dei neutrini studiando i loro effetti sulla struttura del cosmo. I neutrini sfrecciano quasi alla velocità della luce e passano attraverso altra materia invece di fissarsi su di essa. Quindi la loro presenza nel cosmo ne ha attenuato la disomogeneità. "Più massa si attribuisce ai neutrini, maggiore sarà la massa uniforme su quelle [grandi] scale", ha detto Lovede.

Combinando le misurazioni degli ammassi di galassie con le misurazioni della CMB, il team di eRosita ha stimato che la somma delle masse dei tre tipi di neutrini non è superiore a 0.11 elettronvolt (eV), o inferiore a un milionesimo della massa di un elettrone. Altri esperimenti sui neutrini lo hanno fatto stabilito un limite inferiore, dimostrando che la somma delle tre masse del neutrino deve corrispondere ad almeno 0.06 eV (per un possibile ordinamento dei tre valori di massa) o 0.1 eV (per l'ordine invertito). Man mano che la distanza tra i limiti superiore e inferiore si riduce, gli scienziati si stanno avvicinando all’individuazione del valore della massa del neutrino. “Siamo effettivamente sul punto di fare una svolta”, ha detto Bulbul. Nei successivi rilasci di dati, il team di eRosita potrebbe abbassare il limite superiore abbastanza da escludere i modelli di massa dei neutrini di ordine invertito.

La cautela è giustificata. Qualsiasi altra particella veloce e leggera che potrebbe esistere, ad esempio assioni, le ipotetiche particelle proposte come candidate per la materia oscura – avrebbero gli stessi effetti sulla formazione della struttura. E introdurrebbero errori nella misurazione della massa dei neutrini.

Tracciamento dell'energia oscura

Le misurazioni degli ammassi galattici possono rivelare non solo come sono cresciute le strutture, ma anche come la loro crescita è stata ostacolata dall’energia oscura – il sottile strato di energia repulsiva che permea lo spazio, accelerando l’espansione dello spazio e quindi separando la materia.

Se l'energia oscura è l'energia dello spazio stesso, come presuppone il modello standard della cosmologia, allora avrà una densità costante nello spazio e nel tempo (ecco perché a volte viene chiamata costante cosmologica). Ma se la sua densità diminuisce invece nel tempo, allora è tutta un'altra cosa. "Questa è la domanda più grande che si pone la cosmologia", ha affermato Sebastian Grandis, membro del team eRosita presso l'Università di Innsbruck in Austria.

Dalla loro mappa di migliaia di ammassi, i ricercatori hanno scoperto che l’energia oscura corrisponde al profilo di una costante cosmologica, sebbene la loro misurazione abbia un’incertezza del 10%, quindi rimane possibile una densità di energia oscura anche leggermente variabile.

Originariamente, eRosita, che si trova a bordo di una navicella spaziale russa, doveva condurre otto rilevamenti a tutto il cielo, ma nel febbraio 2022, settimane dopo che il telescopio aveva iniziato il suo quinto rilevamento, la Russia ha invaso l’Ucraina. In risposta, la parte tedesca della collaborazione, che gestisce eRosita, ha messo il telescopio in modalità sicura, interrompendo tutte le osservazioni scientifiche.

Questi documenti iniziali si basano solo sui dati dei primi sei mesi. Il gruppo tedesco prevede di trovare circa quattro volte più ammassi di galassie nel prossimo anno e mezzo di osservazioni, il che consentirà di individuare tutti questi parametri cosmologici con maggiore precisione. "La cosmologia degli ammassi potrebbe essere la sonda cosmologica più sensibile oltre alla CMB", ha affermato Anja von der Linden, un astrofisico della Stony Brook University.

I loro risultati iniziali dimostrano la potenza di una fonte di informazioni relativamente non sfruttata. "Siamo una specie di nuovo ragazzo sul blocco", ha detto Grandis.