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Materia barionica: rilevate tracce tra le galassie

Dopo decenni di ricerche, sono state trovate delle tracce della materia barionica mancante dell’Universo. Un gruppo di ricercatori, coordinato dallo studioso della Curtin University Jean-Pierre Macquart, è riuscito a individuarla nello spazio fra le galassie, dove si trova sotto forma di gas rarefatto.

“Sappiamo dalle misure del Big Bang quanta materia c’era all’inizio dell’Universo, ma quando si osserva l’universo attuale parte di questa materia manca all’appello”. Spiega Macquart.

I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Nature.

La materia barionica

Questa materia mancante, nota come barionica, è la stessa di cui sono fatte le stelle, i pianeti e l’uomo stesso. Non si tratta dunque della materia oscura, che occupa il 25% dell’universo e nemmeno della misteriosa energia oscura (che dovrebbe comporre circa il 68% del cosmo).

“Si sa che nello spazio fra stelle e galassie c’è ulteriore materia barionica, ossia gas idrogeno ed elio molto disperso, e che è piuttosto difficile da vedere, in parte questo gas era stato osservato con tecniche radio, ma mancava un pezzo. I risultati della ricerca della Curtin University si riferiscono proprio a questa parte mancante”

spiega Marco Pallavicini, fisico astroparticellare e membro della giunta esecutiva dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn).

L’osservazione della materia mancante

I ricercatori dell’ateneo australiano sono riusciti a rivelare la materia barionica mancante osservando le esplosioni radio veloci, dei brevi lampi di energia molto difficili da intercettare, tramite il radiotelescopio Askap (Australian Square Kilometer Array Pathfinder).

L’utilizzo di una tecnica piuttosto sofisticata ha permesso al team di analizzare come questi “flash” di propagano nello spazio intergalattico. “Un po’ come un prisma, il gas presente tra le galassie ha delle proprietà di dispersione che influenzano il tempo di arrivo dei segnali radio dei flash”, spiega Pallavicini. “Studiandolo, i ricercatori hanno ricostruito le proprietà del mezzo intergalattico, riuscendo a rivelare la presenza di circa la metà della materia barionica mancante”.

materia barionica universo

La discrepanza

Come si fa a stimare la quantità di materia barionica nell’universo? Partiamo dalla teoria del Big Bang, la teoria che usiamo per descrivere l’universo e di cui abbiamo le prove della validità. Secondo la teoria del Big Bang, a un certo punto della storia dell’universo si sono formati i primi nuclei atomici degli elementi più leggeri. I nuclei atomici sono fatti di protoni e neutroni. Quindi più barioni ci sono nell’universo, più protoni e neutroni ci sono nell’universo, più nuclei atomici si formano.

Perciò, se otteniamo dalla teoria del Big Bang una stima per le abbondanze dei nuclei atomici, di conseguenza otteniamo una stima per l’abbondanza di materia barionica intorno al 5% di tutto ciò che c’è nell’universo. La stessa percentuale torna anche con i dati della radiazione cosmica di fondo.

E le osservazioni? Qua iniziano i problemi. Il punto è che per osservare qualcosa che c’è in giro nell’universo dobbiamo osservarne qualche effetto. Per esempio, assorbimento ed emissione di radiazioni elettromagnetiche.

materia barionica
In realtà, il disegno mostra come funziona la faccenda per il telescopio Hubble: a noi non interessa Hubble qui, ma comunque rende l’idea.

Il meccanismo in gioco è il seguente: una qualche galassia lontana (per esempio un quasar) emette luce; questa luce, per arrivare a noi sulla Terra, attraversa un sacco di gas nell’universo. Questo gas presente tra il quasar e noi assorbe la luce del quasar e genera delle righe scure in corrispondenza della frequenza di luce assorbita.

Forse un disegno come quello qui sotto è più chiaro per capire che cosa succede tra quasar e gas.

Tutto questo assorbimento di luce, cioè tutte quelle righe scure, ci permettono di stimare quanto gas c’è nell’universo, ovvero quanti barioni ci sono sotto forma di gas sparso in giro nell’universo.

Sebbene geniale, in questo modo si arriva a osservare circa il 70% di tutta la materia barionica che stimiamo essere nell’universo. E il resto?

Rilevamenti fatti nel 2018

Il problema è che può esserci della materia barionica che non emette luce nell’intervallo di frequenza a cui siamo abituati di solito e che quindi diventa altamente difficile da osservare. Infatti, se nessuno si è mai seriamente disperato riguardo al problema è perché si è pensato spesso a una soluzione della discrepanza di tipo osservativo. Cioè, non troviamo la materia barionica mancante perché è difficile osservarla.

In particolare, si è sempre pensato che questa materia barionica mancante fosse parte di filamenti di gas caldo che si trovano tra le galassie nell’universo. Perché si pensava a ciò? Perché in questi filamenti l’idrogeno è ionizzato, cioè non ha l’elettrone che gli ronza attorno. Un atomo di idrogeno senza elettrone vuol dire che viene identificato con fatica, visto che l’elettrone non c’è allora per forza di cose non ci sarà emissione di luce per qualche meccanismo atomico.

E allora bisogna inventarsi qualche altra cosa. Per esempio guardare ad altri atomi presenti in questi filamenti di gas caldo. Il problema in questo caso è che gli atomi sono quelli di ossigeno e carbonio in particolari configurazioni. Per riuscire a beccare questi atomi che in sostanza tracciano la presenza di altro gas (cioè l’idrogeno) bisogna andare a guardare i filamenti con un telescopio a raggi X.

materia barionica
Confronto tra dati (punti neri e rossi) e modello teorico (curva a tratti rossi) del segnale di assorbimento della luce del quasar da parte del gas nei filamenti. Tratto dall’articolo su Nature di Nicastro et al.

Anche per questo scopo (ma non solo) sono venti anni che gli astrofisici puntano telescopi a raggi X verso quasar lontani. E sono venti anni che i risultati non sono proprio significativi.

Il 21 giugno 2018 una squadra di astrofisici guidati da Fabrizio Nicastro ha pubblicato un articolo su Nature dove presentano i risultati delle loro ricerche e sapete cosa? Hanno beccato i filamenti di gas caldo misurando le righe scure nello spettro dei raggi X.

Per beccare i filamenti, gli astrofisici hanno puntato, tra il 2015 e il 2017, il telescopio ESA XMM-Newton, un telescopio che osserva i raggi X, verso il quasar 1ES 1553+113. I dati raccolti sono stati sufficienti per scovare il debole segnale dei filamenti di gas: praticamente dai dati del telescopio XMM-Newton è venuta fuori una mappa dei filamenti presenti tra noi e il quasar studiato.

Dal confronto tra il segnale osservato e il modello teorico che dovrebbe spiegare gli assorbimenti è saltato fuori che le cose tornano con un buon livello di significatività (circa 3 a circa 5 sigma, cioè una probabilità molto bassa che quel segnale osservato non sia dovuto all’assorbimento del gas dei filamenti nell’universo).

Riferimenti e approfondimenti

  1. Nature volume 581pages391–395(2020)A census of baryons in the Universe from localized fast radio bursts – J.-P. Macquart, J. X. Prochaska, M. McQuinn, K. W. Bannister – Published: 
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Dopo decenni di ricerche, sono state trovate delle tracce della materia mancante dell’Universo. Un gruppo di ricercatori, coordinato dallo studioso della Curtin University Jean-Pierre Macquart, è riuscito a individuarla nello spazio fra le galassie, dove si trova sotto forma di gas rarefatto.
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