L’insostenibile pesantezza degli ammassi

LO STUDIO CONDOTTO SUL CATALOGO DELLA SDSS

Grazie a un esteso studio su un campione di 9000 ammassi di galassie osservati dalla Sloan Digital Sky Survey, un team internazionale di ricercatori è riuscito a dimostrare che il rapporto tra gli ammassi di galassie e l’alone di materia oscura che li circonda non è determinato solo dalle loro masse, come si pensava fino ad ora. Lo studio su Physical Review Letters

Un ammasso di galassie particolarmente denso. Crediti: Kavli IPMU

Un team internazionale di ricercatori ha dimostrato che il rapporto tra gli ammassi di galassie e l’alone di materia oscura che li circonda è più complesso di quanto si pensasse. Lo studio, pubblicato il 25 gennaio su Physical Review Letters, ha dimostrato per la prima volta che la connessione tra un ammasso e la materia oscura circostante non è caratterizzato solo dalla massa dell’ammasso stesso, ma anche dalla storia della sua formazione.

Gli ammassi di galassie sono in assoluto gli oggetti celesti più grandi che si possano osservare, e si sono formati a partire dalla non uniformità della distribuzione di materia che si è verificata nelle prime fasi di vita dell’Universo. La loro crescita è una lotta costante tra la raccolta di materia oscura a causa della gravità e l’espansione accelerata dell’Universo dovuta all’energia oscura.

Un ammasso di galassie può contenere fino a centinaia di migliaia di galassie, legate tra loro dalla forza di gravità. I cosmologi hanno da sempre modellato e interpretato la formazione degli ammassi tenendo conto unicamente delle masse in gioco: quelle delle galassie e dei loro aloni. Tuttavia, alcuni studi teorici suggeriscono che la massa non sia l’unico elemento in gioco, ma che esista un “bias di aggregazione” (dove bias significa una correzione dovuta ad un errore sistematico), che tiene conto di quando e come si è formato l’ammasso di galassie.

Il gruppo di ricerca, guidato da Hironao Miyatake del Jet Propulsion Laboratory della NASA,Surhud More e Masahiro Takada del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, ha sfidato la teoria più accreditata, secondo cui la connessione tra gli ammassi di galassie e l’ambiente circostante, dominato dalla materia oscura, è caratterizzata esclusivamente dalla loro massa. Era già stato teorizzato che esistessero altri fattori ad influenzare questo legame, ma nessuno era riuscito ad effettuare osservazioni dirette fino ad ora.

“Le simulazioni ci hanno mostrato che il bias di aggregazione dovrebbe essere uno degli ingredienti fondamentali”, ha spiegato Rachel Mandelbaum, ricercatrice del McWilliams Center for Cosmologydella Carnegie Mellon University. “Ottenere una conferma osservativa di questa ipotesi è un passo importante verso la comprensione di come si formino ed evolvano gli ammassi di galassie”.

Mappe di densità della distribuzione di galassie. Crediti: Kavli IPMU

Nel corso dello studio, il team ha analizzato i dati del catalogo DR8 della Sloan Digital Sky Survey. Utilizzando queste osservazioni i ricercatori hanno dimostrato che gli elementi che influenzano il modo in cui un ammasso interagisce con l’alone di materia oscura sono il momento e il modo in cui le galassie si raggruppano formando l’ammasso stesso.

I ricercatori hanno selezionato in tutto circa 9.000 ammassi di galassie, dividendoli in due gruppi a seconda della distribuzione spaziale delle galassie al loro interno. Un gruppo era costituito da ammassi di galassie maggiormente addensati verso il centro, mentre nell’altro gruppo le galassie erano più diffuse. Hanno quindi utilizzato una tecnica chiamata lente gravitazionale per dimostrare che, a parità di massa, gli ammassi interagiscono con l’ambiente in maniera molto differente. La differenza di distribuzione è quindi dovuta al diverso tipo di ambiente di materia oscura in cui l’ammasso si è formato ed è evoluto.

«Il segnale misurato è incredibilmente maggiore di quanto previsto dalle stime teoriche», ha spiegatoSurhud More. «Il numero di test a cui abbiamo sottoposto i nostri risultati per assicurarci che non ci fossero errori sistematici è stata la parte più faticosa di questa ricerca».

«Conoscere il modo in cui si raggruppano gli ammassi di galassie su larga scala è uno degli obiettivi principali della cosmologia moderna», ha dichiarato Rachel Mandelbaum, ricercatrice delMcWilliams Center for Cosmology della Carnegie Mellon University e membro del team che ha effettuato la scoperta. «Dobbiamo procedere in questo campo tenendo conto del fatto che la massa sembra non essere l’unico fattore determinante».

«Questo risultato è davvero emozionante!», ha dichiarato Masahiro Takada. «Significa che potremo utilizzare i dati della Subaru Hyper Suprime Webcam, che saranno disponibili a breve, per effettuare controlli ulteriori e migliorare la nostra comprensione della storia di formazione degli ammassi di galassie».

I risultati di questo studio dovranno essere tenuti in considerazione nei futuri studi riguardanti la struttura a larga scala dell’Universo, la natura della materia oscura e dell’energia oscura, e l’Universo primordiale in generale.

Per saperne di più, si invita alla lettura dell’articolo “Evidence of Halo Assembly Bias in Massive Clusters” pubblicato su Physical Review Letters da Hironao Miyatake, Surhud More, Masahiro Takada, David N. Spergel, Rachel Mandelbaum, Eli S. Rykoff e Eduardo Rozo

Nuovo metodo per sondare il Big Bang

INFLAZIONE O BIG CRUNCH?

Altro che “grand complications”: per cronometrare l’inizio dell’universo servono orologi quantistici primordiali standard. Si tratta di particelle subatomiche pesanti, ipotizzate da uno studio teorico per distinguere tra diversi modelli sull’origine dell’universo. Il commento di Fabio Finelli (INAF)

Una rappresentazione dell'evoluzione dell'universo

Se un noto artista italiano ha le idee chiare su quale sia il più grande spettacolo dopo il Big Bang, in un articolo in via di pubblicazione sulJournal of Cosmology and Astroparticle Physicsun terzetto internazionale di cosmologi presenta le proprie idee su come sia possibilericostruire indirettamente l’evento primordiale da cui l’universo ha avuto inizio, il cosiddetto Big Bang appunto, attraverso il beat di un metronomo assai particolare.

Big Bang, “il grande botto”, è in realtà un nomignolo dispregiativo appioppato a metà del secolo scorso a un modello cosmologicoallora in elaborazione, basato sull’idea che l’universo iniziò ad espandersi in un preciso momento nel passato a partire da uno stato iniziale estremamente denso e caldo. Modello divenuto poi prevalente, anche grazie al sostegno di diverse evidenze osservative. Fondamentale la scoperta dellaradiazione di fondo cosmico (CMB, cosmic microwave background), che possiamo immaginare come il “bagliore residuo” del Big Bang, generato a partire da circa 400.000 anni dopo l’inizio. Prima di allora l’universo era buio, perché radiazione e materia erano ancora strettamente accoppiate.

Proprio nella CMB i ricercatori sperano di trovare indizi che confermino l’incredibilmente rapida espansione iniziale dell’universo nei suoi primi istanti di vita, la cosiddetta inflazione, ad esempio attraverso la rilevazione delle finora inafferrabili onde gravitazionali (vedi qui su Media INAF il caso di BICEP2). Esistono tuttavia modelli teorici alternativi a quello dell’inflazione cosmica, che non richiedono condizioni iniziali per il Big Bang altrettanto estreme. Teorie come quella del “Big Crunch”, che prevede il collasso di un precedente universo come punto di partenza per il Big Bang.

Secondo gli autori del nuovo studio, esiste la possibilità di stabilire quale sia il modello giusto con l’utilizzo di particolari marcatempo, definiti orologi primordiali standard quantistici, che avrebbero un diverso “ticchettio” nel caso fossero stati forgiati attraverso un processo di inflazione cosmica, oppure passati attraverso un Big Crunch.

 Crediti: Yi Wang e Xingang Chen

Per capire meglio di cosa si tratti, facciamo un passo indietro. «Oltre a stimare le abbondanze dei principali costituenti del nostro universo, come materia, energia oscura e barioni» spiega Fabio Finellidell’INAF-IASF di Bologna, a cui abbiamo chiesto un commento sul nuovo studio, «i dati cosmologici più recenti ci forniscono un quadro sempre più accurato delle proprietà delle fluttuazioni primordiali di densità, che hanno dato origine alle strutture cosmiche mediante instabilità gravitazionale». In particolare, le misure effettuate dal satellite Planck dell’ESA sulle disomogeneità della radiazione di fondo cosmico hanno determinato con grande accuratezza l’impronta geometrica delle fluttuazioni quantistiche presenti alla nascita dell’universo.

L’inflazione e i modelli alternativi hanno predizioni simili per queste variazioni spaziali di densità, confortate anche dall’accordo con i dati osservativi disponibili. Le onde gravitazionali primordialidarebbero più informazioni, ma finora non sono mai state osservate. Gli autori del nuovo studio si sono accorti che esiste anche una misura temporale che risulterebbe differente da un caso all’altro, una sorta di orologio per misurare il passaggio del tempo all’inizio dell’universo.

Questi orologi primordiali standard sono in realtà delle particelle subatomiche “pesanti”, che si comportano come pendoli, oscillando avanti e indietro in modo universale e standard. L’avvio dell’oscillazione per queste particelle può avvenire in modo quanto-meccanico, senza spinta iniziale.

Il CMB visto da Planck e WMAP. Crediti: ESA and the Planck Collaboration; NASA / WMAP Science Team

«Gli autori evidenziano come ipotetiche particelle di massa molto elevata siano, al pari delle onde gravitazionali, anch’esse molto sensibili all’evoluzione dell’universo durante la fase primordiale in cui vengono generate le fluttuazioni di densità», spiega Finelli. «L’impronta di queste particelle massive come modulazione dello spettro e modifica della statistica delle perturbazioni di densità potrebbe quindi aiutarci a capire la fase primordiale dell’universo in cui hanno avuto origine».

«I segnali di clock che stiamo cercando sonosottili strutture oscillatorie che dovrebbero manifestarsi nelle misurazioni della radiazione cosmica di fondo», dice uno degli autori, Yi Wang della Hong Kong University of Science and Technology. «Ogni scenario di universo primordiale prevede un modello unico di segnale».

I dati raccolti finora, secondo gli autori, non sono sufficientemente accurati per potere individuare tali piccole variazioni. Tuttavia è plausibile che entro il prossimo decennio tutta una serie di esperimenti in corso o in via di realizzazione permetteranno di valutare la fondatezza della nuova ipotesi.

Inoltre, siccome gli orologi primordiali standard sarebbero un componente della “teoria del tutto“, trovarli aiuterebbe a fornire supporto per la fisica oltre il Modello Standard ad un scala di energieinaccessibile per gli acceleratori terrestri.

SKA: sempre più vicini all’accordo

L’ITALIA GUIDA I NEGOZIATI

Presso l’Accademia dei Lincei, la seconda tornata dei negoziati preparatori per la trasformazione della SKA Organisation in un’organizzazione intergovernativa (IGO) regolata da un trattato. A guida della fase negoziale è ancora l’Italia che presiede tutto il procedimento

Negoziati SKA. Crediti: INAF

Per la seconda volta si sono svolti a Roma, presso l’Accademia dei Lincei, i negoziati preparatori per la trasformazione della SKA Organisation in un’organizzazione intergovernativa (IGO) regolata da un trattato, come CERN ed ESO, il che assicurerà una forte governance per tutta la durata del progetto. Protagonista dei negoziati, dopo quelli dello scorso ottobre, è ancora l’Italia che presiede tutto il procedimento, come deciso l’anno scorso.

A guidare questa fase Enrico Vicenti, ministro plenipotenziario del Ministero degli Affari Esteri e Cooperazione Internazionale: «Questa seconda seduta negoziale ha confermato il grosso impegno dei Paesi partecipanti. È emersa la loro determinazione a concludere il percorso negoziale quanto prima. È stato possibile in questi giorni cominciare a riflettere sul livello dei contributi e questo è un primo passo molto importante». Vicenti parla anche del contributo che ogni Paese membro dovrà conferire al progetto, in cash in kind: «È un aspetto che sta a cuore a molte delegazioni perché questa decisione si riflette sul tipo di partecipazione che i Paesi possono offrire. Tematiche come quelle del procurement e della proprietà intellettuale sono molte delicate e richiedono ancora del lavoro». Il prossimo appuntamento per i delegati è ad aprile, quando ci sarà la terza tornata dei negoziati. «In questo momento – conclude Vicenti – è difficile prevedere se dopo aprile sarà necessaria una quarta seduta per affinare le decisioni che andremo a prendere».

Presente alla tre giorni di incontri, a capo della delegazione italiana, il presidente dell’INAF Nicolò D’Amico: «Non tutti i Paesi hanno chiaro il contributo che riescono a garantire, per questo l’incontro di aprile potrebbe non essere quello conclusivo. La partecipazione dell’Italia a tutto il processo è ormai fuori discussione dal punto di visto scientifico, tecnologico e c’è l’idea di fare proprio in Italia uno dei più grandi centri di integrazione dei prototipi e si sta pensando di farlo convergere sull’area bolognese dell’INAF (a Medicina). Questo è uno dei patti venuti fuori dopo le negoziazioni degli headquarters». D’Amico affronta anche la tematica spinosa quanto decisiva per l’Italia (e non solo) del ritorno economico e industriale del progetto. «I vari modelli che si metteranno a punto per quanto riguarda contributi in cash in kind, le varie percentuali garantite, il ritorno industriale, sono cruciali perché è chiaro che molti Paesi potrebbero non accettare l’accordo se non ci sarà un ritorno abbastanza certo verso l’industria nazionale. Noi disponiamo di un settore di eccellenza, quindi possiamo fare la nostra parte».DSC_0306 (2)

Cose’è SKA – Lo Square Kilometre Array sarà un network caratterizzato da oltre un chilometro quadrato di area di raccolta, un grande campo di vista, un’estensione di alcune migliaia di chilometri, e tecnologie innovative per ricevitori, trasporto ed elaborazione del segnale e calcolo. SKA conterà centinaia di migliaia di antenne a bassa frequenza e qualche centinaio di dish, distribuiti tra le regioni desertiche dell’Africa e dell’Australia occidentale, che ne faranno una straordinaria arma per studiare l’evoluzione dell’Universo, la gravità e la materia oscura e gli enigmatici e vasti campi magnetici. SKA lavorerà su un grande intervallo di frequenze con un miglioramento di 50 volte in sensibilità e di oltre 100 volte in velocità di osservazione del cielo, rispetto agli strumenti attuali.

La costruzione dello Square Kilometre Array inizierà nel 2018. SKA è attualmente il più grande grande progetto scientifico del mondo: scienziati e ingegneri sono e saranno chiamati ad affrontare le immense sfide che si nascondo dietro il più grande network di radiotelescopi, con tutti i nuovi sviluppi nel campo dell’informatica, astrofisica, ingegneria e molti altri che si presenteranno in futuro.

 

Per saperne di più:

UN MESSAGGIO MISTERIOSO DI STEPHEN HAWKING

L’undici gennaio la foto dello scienziato è comparsa sui megaschermi di Times Square. Con un messaggio misterioso ancora senza spiegazione. [CraveOnLine] Ieri mattina tutti i grandi megaschermi di Times Square, la piazza simbolo di New York, hanno smesso per qualche minuto la loro programmazione di pubblicità e si sono allineati mostrando tutti la stessa immagine: una foto di Stephen Hawking,…

Sorgente: UN MESSAGGIO MISTERIOSO DI STEPHEN HAWKING

Esiste davvero il nono pianeta e quanto è grande il sistema solare?

Per adesso sono solo calcoli matematici, ipotesi e – certo – speranze. Il pianeta numero nove del Sistema solare si troverebbe a oltre 90 miliardi di chilometri dal Sole, quindi una distanza di circa 20 volte superiore a quella che compete a Nettuno. Il condizionale per ora è d’obbligo, ma cerchiamo di capire meglio di cosa si tratta con Giovanni…

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