Da Coma all’Ammasso della Pallottola: come è cambiata la prova della materia oscura

La materia oscura si riconosce da ciò che fa, non da una luce che possiamo osservare. Secondo la descrizione della NASA, non interagisce con lo spettro elettromagnetico come la materia ordinaria: non assorbe, non riflette né emette luce. La sua gravità, tuttavia, influenza le galassie e la luce che viaggia nell’universo. La storia di come si è costruita la prova si comprende meglio seguendo tre segnali diversi: il moto delle galassie negli ammassi, la velocità delle stelle nelle galassie a spirale e la distorsione della luce di fondo.

Coma: galassie troppo veloci

Un ammasso di galassie è un insieme di galassie legate dalla gravità. Nel 1933, l’astronomo Fritz Zwicky pubblicò un lavoro su un’anomalia osservata studiando l’ammasso di Coma. Secondo la ricostruzione storica della NASA, le galassie di quell’ammasso si muovevano troppo velocemente perché la gravità della materia ordinaria osservata fosse sufficiente a tenerle unite. Se fosse stata presente solo quella materia visibile, le galassie avrebbero dovuto disperdersi; invece, rimanevano legate all’ammasso.

Zwicky propose che una forma invisibile di materia fornisse la gravità mancante in quella spiegazione e la chiamò «dunkle Materie», in tedesco «materia oscura». La proposta diede un nome a una possibile spiegazione del problema, ma le prime ricerche non bastarono, allora, a trasformarla in un’idea ampiamente accettata. La sua importanza sta nel tipo di indizio: la materia ipotetica non veniva osservata direttamente; si osservava invece un moto la cui spiegazione gravitazionale sembrava richiedere più massa di quella visibile.

Le stelle delle galassie a spirale

Negli anni Settanta, l’astronoma Vera Rubin studiò un altro caso: le stelle situate verso i margini esterni delle galassie a spirale. Secondo la NASA, scoprì che si muovevano troppo velocemente perché la materia luminosa osservata in quelle galassie potesse, da sola, spiegare come restassero in orbita. La discrepanza ricordava quella di Coma, ma l’osservazione riguardava ora il moto delle stelle all’interno di singole galassie, non quello di intere galassie in un ammasso.

Rubin concluse che doveva esserci più materia di quella visibile per tenere unite quelle galassie. La spiegazione proposta era che la materia oscura fornisse la gravità aggiuntiva. La concordanza tra indizi provenienti da scale diverse rafforzò l’idea: prima il moto delle galassie in Coma, poi quello delle stelle ai margini delle spirali. Nella ricostruzione storica della NASA, le prove associate al lavoro di Rubin furono decisive perché la comunità scientifica adottasse il concetto più ampiamente.

La lente gravitazionale trasforma la gravità in una mappa

Un terzo indizio proviene dalla luce. La gravità di una concentrazione di massa può curvare lo spaziotempo e, di conseguenza, deviare il percorso della luce proveniente da galassie situate dietro di essa. Questo effetto si chiama lente gravitazionale. Misurando come appaiono deformate quelle galassie sullo sfondo, gli astronomi possono stimare la distribuzione della massa nell’oggetto in primo piano.

Il risultato è una mappa della massa dedotta dalla distorsione della luce, non una fotografia di particelle oscure. La distinzione è importante: l’immagine osservata fornisce forme e posizioni delle galassie; la mappa si ottiene interpretando le deformazioni prodotte dalla gravità. Come spiega la NASA descrivendo gli ammassi di galassie, la lente gravitazionale consente di mappare la distribuzione della massa e individuare le regioni in cui si deduce una concentrazione non spiegabile con la materia visibile.

L’Ammasso della Pallottola: gas e massa non si trovano nello stesso punto

L’Ammasso della Pallottola, noto formalmente come 1E 0657-56, si è formato quando due grandi ammassi di galassie si sono scontrati, in un evento avvenuto a circa 3.800 milioni di anni luce dalla Terra. La NASA descrive le osservazioni di questo sistema del 2006 come uno degli esempi più chiari di prova della materia oscura. Durante la collisione, il gas caldo di un ammasso ha interagito con il gas caldo dell’altro.

Nelle immagini composite descritte dalla NASA, il gas caldo — materia ordinaria che emette raggi X e che è stata rilevata dall’osservatorio Chandra della NASA — appare in rosa. In blu è rappresentata la distribuzione della massa dedotta dalle osservazioni di lente gravitazionale effettuate con il telescopio spaziale Hubble della NASA e il telescopio Magellano, gestito da un consorzio internazionale. Secondo la descrizione della NASA, le regioni blu sono distribuite diversamente dal gas caldo e rappresentano la maggior parte della massa degli ammassi.

L’interpretazione scientifica indicata dall’agenzia è che il materiale associato a questa distribuzione blu sia probabilmente materia oscura. Il punto centrale non è che il blu sia un’immagine diretta di questa materia: è una rappresentazione della massa ricostruita tramite lente gravitazionale. Il gas, invece, viene identificato attraverso la sua emissione di raggi X. L’Ammasso della Pallottola offre quindi un confronto tra due osservabili diversi: dove si trova il gas caldo e dove la lente indica che si concentra la massa.

Una prova costruita con indizi diversi

Coma, le galassie a spirale e l’Ammasso della Pallottola non forniscono lo stesso tipo di osservazione. Il primo ha messo in evidenza la velocità delle galassie all’interno di un ammasso; Rubin ha studiato le stelle nelle regioni esterne delle galassie; il terzo ha permesso di confrontare il gas caldo con la distribuzione della massa dedotta dalla luce deformata. In tutti e tre i casi, la materia oscura entra nella spiegazione attraverso gli effetti gravitazionali osservati.

Questo percorso aiuta anche a precisare che cosa si intende per prova. A Coma e nelle galassie a spirale, la discrepanza tra moto e materia visibile ha portato a dedurre una massa aggiuntiva. Nell’Ammasso della Pallottola, la lente gravitazionale offre una mappa della massa che può essere confrontata con la posizione del gas. Secondo l’interpretazione riportata dalla NASA, il materiale associato alle regioni blu è probabilmente materia oscura. La forza di questa storia sta nel fatto che indizi diversi indicano una massa che non viene identificata dalla sua luce, anche se ciascuno lo fa attraverso un’osservazione differente.