Roman e materia oscura: come le lenti deboli mapperanno la materia

La materia oscura pone un paradosso: non emette, assorbe né riflette luce, ma la sua gravità lascia tracce osservabili nell’universo. Secondo le stime presentate dalla NASA, costituisce circa il 27% dell’universo, rispetto a circa il 5% della materia ordinaria. Questa influenza gravitazionale permette di studiare dove si trova e come è organizzata, anche se le particelle che la compongono non sono ancora ben conosciute.

La missione Nancy Grace Roman della NASA userà le lenti gravitazionali per studiare la distribuzione della materia su scale diverse. Il rapporto tra la velocità ipotetica delle particelle e la crescita delle galassie offre un modo per formulare ciò che queste osservazioni potrebbero rivelare: non l’identificazione diretta delle particelle, ma la possibilità di confrontare la storia delle strutture cosmiche con diverse previsioni.

Una presenza invisibile che curva la luce

La materia ordinaria — quella che forma stelle, galassie e gli oggetti che possiamo osservare — interagisce con la luce. La materia oscura, invece, interagisce gravitazionalmente con la materia ordinaria, ma non sembra interagire con lo spettro elettromagnetico. Perciò i telescopi non la rilevano come sorgente luminosa. La sua presenza viene dedotta dagli effetti della sua gravità.

Una di queste tracce è la lente gravitazionale. Le concentrazioni di massa curvano lo spaziotempo e modificano il percorso della luce che passa nelle vicinanze. Quando la luce di una galassia lontana attraversa la regione di un ammasso di galassie, può arrivare ai telescopi deformata e, in alcuni casi, intensificata. Misurando questa distorsione, gli astronomi possono stimare posizione e quantità della materia che la produce.

Negli ammassi, la materia visibile da sola non basta a spiegare tutta la curvatura osservata. La materia oscura apporta gravità aggiuntiva. Le lenti, quindi, non mostrano direttamente questa materia: permettono di ricostruirne la distribuzione a partire dall’effetto complessivo della massa sulla luce. Anche esperimenti come la sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) della NASA sono stati utilizzati per misurare le proporzioni di materia ordinaria e oscura nell’universo primordiale.

La velocità cambia il ritmo dell’aggregazione

La questione se le particelle siano lente o veloci è importante perché, secondo le previsioni descritte dalla NASA, il loro movimento influirebbe sul tempo necessario a riunirsi in concentrazioni di materia. Se la materia oscura fosse composta da particelle pesanti e lente, queste si aggregherebbero facilmente. In questo scenario ci si aspetterebbe di osservare la formazione delle galassie nelle fasi iniziali della storia cosmica.

Se invece le particelle fossero più leggere e veloci, impiegherebbero più tempo a stabilizzarsi in aggregati e a sviluppare strutture su larga scala. La differenza si manifesterebbe quindi nella sequenza temporale della crescita cosmica: quando si formano le concentrazioni di materia e come evolvono galassie e ammassi.

Queste relazioni sono previsioni condizionate alle proprietà ipotetiche delle particelle. Da sole non stabiliscono quale scenario sia corretto. La NASA segnala inoltre che, nelle simulazioni, le strutture osservate corrispondono meglio alla materia oscura fredda o lenta che a quella tiepida o calda. Questo confronto aiuta a spiegare perché si studia il movimento della materia oscura, ma non determina l’identità delle sue particelle.

Che cosa misurerà Roman

Roman applicherà la tecnica della lente gravitazionale debole, che ricerca distorsioni più sottili nella forma apparente delle galassie lontane. A differenza degli effetti più evidenti prodotti da grandi concentrazioni di massa, questa tecnica consente di seguire come gruppi più piccoli di materia oscura alterino l’immagine degli oggetti che si trovano dietro di loro.

Secondo la descrizione della missione della NASA, Roman misurerà posizione e quantità sia della materia ordinaria sia di quella oscura in centinaia di milioni di galassie. L’obiettivo è studiare come si distribuisce la materia e come sono cambiate galassie e ammassi nel corso della storia cosmica. Osservando oggetti più lontani, gli astronomi possono vedere epoche precedenti e ricostruire le fasi di crescita di queste strutture.

Questa mappa cosmica permetterebbe di confrontare la distribuzione osservata con le due sequenze previste: aggregazione precoce se le particelle sono pesanti e lente, oppure sviluppo più tardivo delle strutture grandi se sono leggere e veloci. Osservare le lenti deboli non equivale a catturare una particella in un rivelatore; in questo caso, il loro valore consiste nell’aiutare a circoscrivere quali spiegazioni siano compatibili con la storia delle strutture.

Un indizio, non l’identificazione delle particelle

La NASA descrive un’ampia varietà di candidati per la materia oscura e rileva che gli scienziati non dispongono ancora di una buona stima della massa delle sue particelle. Questa incertezza rende difficile decidere come cercarle direttamente. La missione Roman è pensata per fornire informazioni sulla distribuzione della materia e nuovi indizi che possano affinare queste ricerche.

Il legame tra velocità e formazione galattica va quindi inteso come uno strumento di confronto. Le lenti gravitazionali possono mostrare come è distribuita la massa e permettere di seguire l’evoluzione delle strutture; le previsioni collegano questa storia al comportamento atteso di particelle con proprietà diverse. Insieme, queste linee di ricerca possono circoscrivere i modelli che descrivono la materia oscura. La massa e l’identità delle sue particelle restano questioni aperte, mentre il modello di aggregazione cosmica offre un modo per indagare quali scenari siano compatibili con le osservazioni.