Come le lenti gravitazionali ci mostrano la materia oscura.

Molti di voi avranno sentito parlare della curvatura della luce da parte di un corpo massiccio come una stella. Fu Einstein con l’introduzione della relativita’ generale ad ipotizzare cio’. Ma come puo’ la massa curvare i fotoni della luce che non hanno massa? In effetti e’ la curvatura dello spazio tempo generato dalla presenza di  una qualsiasi massa a curvare i raggi luminosi. Molti  di voi avranno visto l’immagine sottostante che rappresenta l’ammasso di galassie chiamato Abell Cluster 2218.

Se guardate attentamente noterete degli archi che altro non sono delle galassie di fondo che vengono distorte ed amplificate dal gigantesco ammasso di galassie Abell. Quando la luce che proviene da sorgenti piu’ lontane dell’ammasso passano nelle sue vicinanze subisce una deflessione che crea gli archi e i filamenti che vediamo.  Questo fenomeno e’ chiamato lente gravitazionale forte ed e’ uno degli spettacoli piu’ interessanti e belli dell’Universo. Sfortunatamente pero’ e’ un fenomeno molto raro. Infatti e’ molto difficile avere un allineamento tra la sorgente di luce e la massa che funziona da lente.

L’angolo di deflessione della luce verso la massa deflettente M e’ dato da:

dove G e’ la costante gravitazionale, r la distanza tra la massa M e il raggio di luce e c la velocita’ della luce. Questa semplice formula ci mostra come a partire dalla misura dell’angolo di deflessione dei raggi di luce e’ possibile risalire alla massa M del corpo deflettente.  

Oltre alle lenti gravitazionali forti esistono anche quelle che chiamiamo lenti gravitazionali deboli sicuramente meno spettacolari di quelle forti ma che come vedremo ritornano utili per mettere in evidenza la materia oscura. Come molti di voi sapranno, la materia visibile presente nell’universo e’ solo una piccola parte di quella necessaria per giustificare l’universo cosi come lo vediamo oggi. Dall’osservazione delle galassie a spirali si e’ visto che la velocita’ in funzione della distanza dal punto centrale della galassia si mantiene pressocche’ costante mentre tenendo conto della sola materia visibile la curva sarebbe stata quella tratteggiata in blu (curva A).

Per risolvere questo enigma gli astrofisici hanno ipotizzato la presenza nell’intero universo di materia non visibile, cioe’ materia che non emette luce ma che esercita un’attrazione gravitazionale sulla materia circostante. Ad oggi nessuno sa di cosa sia composta realmente questa materia oscura. Ci sono diverse ipotesi ma nessuna di esse ha trovato conferma nella realta’. Vediamo adesso come le lenti gravitazionali ci possono dare una mano nella comprensione della materia oscura.

Nell’immagine qui sopra e’ simulata una parte del nostro universo. In esso possono esserci delle regioni ricche di materia dove grazie all’azione della gravitazione questa comincia a formare degli ammassi. Ci sono altre regioni dove invece c’e’ assenza di materia e si formano dei grandi vuoti, chiamati voids. Quando la luce proveniente da sorgenti al di la’ di questi ammassi arriva ai nostri telescopi, essa non forma immagini spettacolari come quelle delle lenti gravitazionali forti; accade comunque un qualche cosa di molto interessante che noi possiamo studiare. Vediamo di cosa si tratta.

Supponiamo di avere delle sorgenti luminose di forma sferica distribuite a caso e supponiamo che non ci siano oggetti massivi tra esse e i nostri telescopi. Quello che vedremmo e’ un qualche cosa del genere.

Cosa succede se tra queste sorgenti e noi inseriamo un qualche oggetto massiccio? Ricordiamoci che siamo nell’ipotesi di assenza di lenti gravitazionali forti e quindi non ci aspettiamo di vedere archi, filamenti, o anelli.

I risultati di una simulazione mostrano comunque che le sorgenti di luce vengono distorte dall’effetto lente gravitazionale debole. Da sfere diventano degli ellissoidi piu’ o meno schiacciati. Bene. Tutto quello che dovremmo fare e’ misurare quanto ellettiche sono le galassie e da questo ricavare le masse presenti tra queste sorgenti e i nostri telescopi. Purtroppo le galassie reali hanno forme diverse tra loro e non sono delle sfere perfette come abbiamo supposto. Quando guardiamo gli oggetti nell’Universo abbiamo sempre l’effetto combinato di una debole distorsione dovuta all’effetto lente gravitazionale e dell’intrinseca ellitticita’ delle galassie (chiamato shape noise). Qui sotto una simulazione che fa vedere la differenza tra il caso con galassie suppooste sferiche (without shape noise) e quelle con forme diverse ( with shape noise).

Tipicamente l’ellitticita’ intrinseca e’ maggiore della distorsione gravitazionale. Ad ogni modo la misura di tante galassie puo’ essere combinata per mediare questo rumore. L’orientazione dell’ellitticita’ intrinseca delle galassie dovrebbe essere quasi tutta randomica cosi che l’allineamento sistematico tra galassie multiple generalmente si puo’ assumere essere causato dal solo effetto lente.  

Dalla misura dell’elletticita’ indotta dalla gravitazione e’ possibile risalire alla densita’ di materia visibile e non,  presente tra le sorgenti di luce e noi sulla Terra.  

Il confronto tra la distribuzione della materia oscura mappata con la tecnica del lensing debole, la distribuzione della materia visibile e quella dei raggi X rivela interessanti interconnessioni tra la materia oscura e i componenti delle stelle e dei gas.  Un esempio molto famoso e’ il cosiddetto Bullet Cluster che dista da noi circa 3,4 miliardi di anni luce. Quest’immagine e’ stata realizzata sovrapponendo alle galassie visibili nell’ottico, due nuvole di raggi X emesse da gas caldi e mostrate in rosso. Oltre alle masse visibili delle galassie e dei gas che emettono i raggi X c’e’ da aggiungere la materia oscura rappresentata come un alone blu. 

Gli astrofisici pensano che il Bullet Cluster si sia formato dallo scontro di due ammassi che hanno separato la materia oscura da quella barionica. L’osservazione dei raggi X mostra come la maggior parte della materia barionica del sistema e’ concentrata nel suo centro. Notare che la radiazione X e’ molto vicina al centro del sistema in quanto nel passare uno attraverso l’altro i due ammassi hanno rallentato le particelle di gas. Questo invece non e’ successo ai due aloni di materia oscura che risiedeva attorno ai due ammassi prima dello scontro e che e’ rimasta separata.

Da immagini come queste si e’ capito che la materia oscura non interagisce con la materia ordinaria ma contribuisce solo alla gravita’. La materia oscura non emette e non assorbe le radiazioni elettromagnetiche  e quindi non puo’ essere vista con i telescopi. Essa costituisce il 23% della materia presente nell’universo mentre solo il 4,6% e’ dovuto alla materia ordinaria e il rimanente 72% alla cosiddetta energia oscura responsabile dell’accelerazione attuale dell’universo. La quantita’ di materia presente nell’universo non e’ sempre stata costante. La sua percentuale era molto piu’ alta dopo 380000 anni dal big bang quando la radiazione finalmente non venne piu’ assorbita dagli elettroni e l’universo usci’ dal suo stato di opacita’ completa.  

In definitiva per sapere quanta massa c’e’ in un ammasso, e dove si trova questa massa, tutto quello che dobbiamo fare e’ misurare le sorgenti di luce che si trovano al di la dell’ammasso e fare entrare in gioco l’effetto lente gravitazionale debole. Tutto qui.

Chi e’ nato prima: la galassia o il buco nero?

Un buco nero e’ un oggetto massivo che esercita un’attrazione gravitazionale cosi intensa da impedire alla materia e alla luce di fuggire via da esso: in questo senso e’ nero. In esso la materia e’ addensata in un piccolo punto (singolarita’) e questa determina il raggio di una superficie immaginaria detto raggio di Schwarzschild. Per esempio un buco nero di massa pari a quella del Sole avrebbe un raggio di circa 3 Km mentre per una massa pari a quella della Terra il raggio sarebbe di un solo centrimetro.

Un buco nero essenzialmente e’ il frutto di una forte distorsione dello spazio-tempo dovuta alla presenza di un forte campo gravitazionale. La superficie di un buco nero, chiamata orizzonte, e’ una superficie di separazione chiusa entro la quale la velocita’ di fuga e’ maggiore della velocita’ della luce. Un risultato notevole e’ che l’interno di un buco nero non ha relazione causale con il resto dell’universo: nessun processo fisico che avvenga all’interno dell’orizzonte degli eventi puo’ comunicare la propria esistenza o i propri effetti all’esterno. Secondo la relativita’generale di Einstein, lo spazio e il tempo sono deformati dal campo gravitazionale dovuto ai corpi dotati di massa e la deformazione e’ piu’ forte in prossimita’ di un buco nero. Buchi neri di massa stellare si ritiene si formino quando stelle massiccie (dell’ordine di 30 masse solari e piu’) subiscono il collasso gravitazionale ed esplodono come supernove.

E’ opinione comune tra gli astronomi che nel nucleo di tutte le galassie sia presente un buco nero di massa compresa tra 1000000 e 1000000000 masse solari. Questi buchi neri vengono indicati come supermassivi. Le principali evidenze osservative della presenza di questi buchi neri sono:

·         L’attivita’ presente nei nuclei di alcune galassie quali i quasar e galassie Seyfert

·         La dinamica del materiale che orbita nelle regioni centrali delle galassie

Le prime galassie attive scoperte furono i quasar. Fin dall’inizio si era capito come essi fossero estremamante luminosi. L’unico meccanismo che riesce a generare una simile luminosita’ e’ l’accrescimento di materia da parte di un buco nero. Lo studio dei quasar mostra come in passato fossero molto piu’ abbondanti di adesso. L’evoluzione della luminosita’ dei quasar e’ spiegata col fatto che con il tempo i buchi neri supermassivi al centro delle galassie fagocitavano sempre piu’ materia con conseguente aumento della luminosita’. Una volta esaurito il materiale intorno al buco nero il nucleo della galassia diventa quiescente.

Ma questi buchi neri erano supermassivi fin dalla nascita? Secondo la comunita’ scientifica no. Essi sono cresciuti in dimensione grazie al gas e stelle presenti nelle galassie ospiti nei primi anni di nascita dell’universo. Questi risultati vengono dall’analisi fatta dalla Nasa col telescopio Hubble che ha studiato piu’ di 30 galassie. I risultati sono sommarizzati nelle immagine sottostanti dove e’ possibile vedere che piu’ il bulge (il nucleo centrale) di una galassia e’ grande in massa e piu’ e’ massiccio il buco nero ospite.

Questi dati sembrano favorire l’idea che un buco nero supermassivo non abbia preceduto la nascita della galassia ospite ma che invece si sono evoluti insieme intrappolando tanto piu’ materiale quanto piu’ il bulge della galassia era massiccio. E i quasars altro non sono che le emissione energetiche della materia catturata dai buchi neri supermassivi al centro delle galassie. In questo modo abbiamo dato una spiegazione ai centri galattici attivi, i buchi neri, e i quasars. Sono tutti intercorrelati tra di loro ed una solo teoria riesce a spiegare il tutto.

Ma siamo proprio sicuri che i buchi neri e le galassie nascono ed evolvono insieme? Due studi autorevoli sembrano indicare di no.

Il primo e’ di un gruppo di astronomi della Virginia che hanno scoperto un buco nero supermassivo in una galassia nana chiamata Henize 2-10, che si trova in una fase di formazione stellare. Questa scoperta avvenuta per caso ha delle importanti implicazioni sulla comprensione dell’evoluzione delle galassie e del loro buco nero centrale. In particolare questa scoperta suggerisce che i buchi neri supermassivi possono svilupparsi prima della crescita della loro galassia ospite.

L’altro studio e’ qello realizzato all’universita’dell’Ohio dove sono stati analizzati quasars apparsi qualche miliardo di anni dopo il big bang. Anche se questi quasars erano ovviamente giovani contenevano tante stelle in formazione come anche un buco nero supermassivo completamente formato. Il numero di quasars analizzati e’ stato dell’ordine delle centinaia. Anche la piu’ piccola e piu’ quiescente delle galassie attive conteneva un buco nero dell’ordine dei 100 milioni di volte il nostro sole. Da un punto di vista teorico questi buchi neri avrebbero richiesto dei tempi lunghissimi per diventare cosi’ grandi se essi fossero nati come un piccolo seme insieme alla galassia ospite.

La questione non e’ ancora completamente risolta e ulteriori conferme saranno necessarie anche se al momento tutto sembra confermare che i buchi neri sono nati prima delle galassie e che la loro immensa gravita’ attirando gas, polveri e stelle abbiano dato il via alla nascita delle galassie.