È stato scoperto un nuovo legame tra la materia oscura e gli ammassi dell’universo

In un nuovo studio, i ricercatori suggeriscono che la mancanza di massa dell’universo indica che la materia oscura è composta da ipotetiche particelle ultraleggere chiamate assioni. Se confermato, ciò potrebbe avere ampie implicazioni per la nostra comprensione dell’universo e potrebbe persino fornire supporto alla teoria delle stringhe.

In uno studio pubblicato il 14 giugno sul Giornale di cosmologia e fisica delle astroparticelleI ricercatori dell’Università di Toronto hanno rivelato una svolta teorica che potrebbe spiegare sia la natura invisibile della materia oscura sia la struttura su larga scala dell’universo nota come rete cosmica. Il risultato stabilisce un nuovo legame tra questi due problemi di lunga data in astronomia, aprendo nuove possibilità per la comprensione dell’universo.

La ricerca suggerisce che il “problema di aggregazione”, incentrato su una distribuzione inaspettatamente uniforme della materia su larga scala in tutto l’universo, potrebbe essere un segno che la materia oscura è composta da ipotetiche particelle ultraleggere chiamate assioni. Le implicazioni della dimostrazione dell’esistenza di assi difficili da rilevare vanno ben oltre la comprensione della materia oscura e potrebbero affrontare questioni fondamentali sulla natura dell’universo stesso.

Una mappa delle galassie nell’universo locale vista dallo Sloan Digital Sky Survey, che i ricercatori hanno utilizzato per testare la teoria degli assioni. Ogni punto è una posizione galattica e la Terra è al centro della mappa. Credito: Sloan Digital Sky Survey

“Se confermato dalle future osservazioni al telescopio e dagli esperimenti di laboratorio, trovare la materia oscura dagli assioni sarà una delle scoperte più importanti di questo secolo”, afferma l’autore principale Keir Rogers, un borsista Dunlap presso il Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics presso il College of Arti e astrofisica della scienza presso l’Università di Toronto. . “Allo stesso tempo, i nostri risultati indicano una spiegazione del motivo per cui l’universo è meno bitorzoluto di quanto pensassimo, un’osservazione che è diventata sempre più evidente negli ultimi dieci anni circa, e attualmente lascia incerta la nostra teoria dell’universo”.

Nel modellare l’universo, la gravità costruisce una struttura simile a una ragnatela di filamenti che legano insieme galassie e ammassi di galassie lungo ponti invisibili lunghi centinaia di milioni di anni luce. Questo è noto come la rete cosmica. Credito: Volker Sprengel (Max Planck Institute for Astrophysics) et al.

La materia oscura, che costituisce l’85% della massa dell’universo, è invisibile perché non interagisce con la luce. Gli scienziati studiano gli effetti della gravità sulla materia visibile per capire come è distribuita nell’universo.

Una delle principali teorie propone che la materia oscura sia composta da assioni, descritte nella meccanica quantistica come “sfocate” a causa del loro comportamento ondulatorio. A differenza delle particelle puntiformi discrete, gli assioni possono avere lunghezze d’onda maggiori di intere galassie. Questa sfocatura influenza la composizione e la distribuzione della materia oscura, il che potrebbe spiegare perché l’universo è meno grumoso di quanto ci si aspetterebbe in un universo senza assi.

Una simulazione al computer di una parte dell’universo con o senza assi che mostra come la struttura della rete cosmica di materia oscura sia meno grumosa se ha assi. Per quanto riguarda le dimensioni, la Via Lattea si troverà all’interno di uno dei minuscoli puntini verdi chiamati aloni. Credito: Alexander Spencer Londra/Alex Lago

Questa mancanza di aggregazione è stata osservata nelle indagini di grandi galassie, sfidando l’altra teoria prevalente secondo cui la materia oscura consiste esclusivamente di particelle subatomiche pesanti debolmente interagenti chiamate WIMP. Nonostante esperimenti come il Large Hadron Collider, non è stata trovata alcuna prova a sostegno dell’esistenza di WIMP.

Keir Rogers, autore principale dello studio e borsista Dunlap presso il Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics. Credito: per gentile concessione di Keir Rogers

“Nella scienza, quando le idee vengono svelate, vengono fatte nuove scoperte e vengono risolti vecchi problemi”, afferma Rogers.

Per lo studio, il gruppo di ricerca, guidato da Rogers e comprendente membri del gruppo di ricerca del professore associato Rene Hluczek presso il Dunlap Institute, nonché dell’Università della Pennsylvania, Institute for Advanced Study,[{” attribute=””>Columbia University and King’s College London — analyzed observations of relic light from the Big Bang, known as the Cosmic Microwave Background (CMB), obtained from the Planck 2018, Atacama Cosmology Telescope and South Pole Telescope surveys. The researchers compared these CMB data with galaxy clustering data from the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), which maps the positions of approximately a million galaxies in the nearby universe. By studying the distribution of galaxies, which mirrors the behavior of dark matter under gravitational forces, they measured fluctuations in the amount of matter throughout the universe and confirmed its reduced clumpiness compared to predictions.

The researchers then conducted computer simulations to predict the appearance of relic light and the distribution of galaxies in a universe with long dark matter waves. These calculations aligned with CMB data from the Big Bang and galaxy clustering data, supporting the notion that fuzzy axions could account for the clumpiness problem.

Future research will involve large-scale surveys to map millions of galaxies and provide precise measurements of clumpiness, including observations over the next decade with the Rubin Observatory. The researchers hope to compare their theory to direct observations of dark matter through gravitational lensing, an effect where dark matter clumpiness is measured by how much it bends the light from distant galaxies, akin to a giant magnifying glass. They also plan to investigate how galaxies expel gas into space and how this affects the dark matter distribution to further confirm their results.

Understanding the nature of dark matter is one of the most pressing fundamental questions and key to understanding the origin and future of the universe.

Presently, scientists do not have a single theory that simultaneously explains gravity and quantum mechanics — a theory of everything. The most popular theory of everything over the last few decades is string theory, which posits another level below the quantum level, where everything is made of string-like excitations of energy. According to Rogers, detecting a fuzzy axion particle could be a hint that the string theory of everything is correct.

“We have the tools now that could enable us to finally understand something experimentally about the century-old mystery of dark matter, even in the next decade or so—and that could give us hints to answers about even bigger theoretical questions,” says Rogers. “The hope is that the puzzling elements of the universe are solvable.”

Reference: “Ultra-light axions and the S8 tension: joint constraints from the cosmic microwave background and galaxy clustering” by Keir K. Rogers, Renée Hložek, Alex Laguë, Mikhail M. Ivanov, Oliver H.E. Philcox, Giovanni Cabass, Kazuyuki Akitsu and David J.E. Marsh, 14 June 2023, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
DOI: 10.1088/1475-7516/2023/06/023

National Aeronautics and Space Administration, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, David Dunlap family and University of Toronto, Connaught Fund.