Materia oscura: scoperto un oggetto cosmico che mette in discussione i modelli attuali

Un oggetto completamente oscuro, con una massa pari a circa un milione di volte quella del Sole, sta mettendo in discussione le attuali teorie sulla materia oscura “fredda” e “tiepida”. A tradirne l’esistenza non è stata la luce, ma una minuscola deformazione impressa su un arco gravitazionale distante 6,5 miliardi di anni luce dalla Terra.

Lo studio, pubblicato sulla rivista scientifica Nature Astronomy, è stato guidato da Simona Vegetti del Max Planck Institute for Astrophysics e ha visto la partecipazione di ricercatrici e ricercatori dell’Istituto Nazionale di Astrofisica, tra cui Cristiana Spingola, Davide Massari e Giulia Despali.

Un oggetto invisibile scoperto grazie alla gravità 

Il misterioso “perturbatore” è stato individuato dai ricercatori analizzando il sistema JVAS B1938+666, un esempio quasi perfetto di lente gravitazionale, fenomeno previsto dalla relatività generale. In questo caso, la massa di una galassia ellittica interposta tra noi e una sorgente più lontana piega la luce, creando un arco luminoso estremamente nitido.

Ed è proprio su quell’arco che i ricercatori hanno notato una piccola irregolarità: la “firma” gravitazionale di un oggetto invisibile, il più piccolo mai “avvistato” a distanze cosmologiche usando esclusivamente questo metodo.

Avvistato tra virgolette, perché la sua presenza è stata rivelata, appunto, solo da effetti gravitazionali. 

Per il resto, buio completo. 

Un profilo di densità mai visto prima 

Il primo passo compiuto dal team di ricerca è stato tracciare il cosiddetto profilo di densità del misterioso oggetto. Vale a dire, hanno ricostruito com’è distribuita la sua massa nello spazio, un'operazione complessa trattandosi di un oggetto invisibile. E’ stato necessario analizzare il nitido arco gravitazionale osservandolo con potenti radiotelescopi come il Green Bank Telescope e le reti VLBA ed EVN, a cui partecipa anche l’antenna di Medicina (Bologna).

L’approccio adottato in questo studio è stato analizzare le deformazioni del segnale emesso dalla sorgente più lontana, quella situata alle spalle della materia che agisce da lente gravitazionale, per ricostruire in dettaglio la “lente” stessa. Impresa in questo caso tutt’altro che semplice, poiché le masse che agivano da lenti erano più d’una, e quella su cui si concentrava l’attenzione dei ricercatori – l’oggetto da un milione di masse solari – era molto piccola rispetto all’effetto lensing complessivo, dovuto perlopiù alla galassia ellittica.

«Cercare di separare tutte le diverse componenti di massa di un oggetto così lontano e di massa ridotta con la lente gravitazionale», ricorda la prima autrice dello studio, Simona Vegetti, del Max Planck Institute for Astrophysics (Germania), «è stato estremamente impegnativo e incredibilmente emozionante. Stiamo lavorando con dati di alta qualità e modelli complessi, e proprio quando pensavo che avessimo capito tutto, le sue proprietà ci hanno riservato un’altra sorpresa. È proprio questa combinazione di difficoltà e mistero che rende questo oggetto così affascinante».

«Per tentare di capire di che oggetto si trattava, e in particolare per ricostruire il suo profilo di densità», continua Giulia Despali, coautrice dello studio e ricercatrice all’Università di Bologna, «abbiamo anzitutto dovuto analizzare attentamente le piccole perturbazioni da esso introdotte sull’arco principale. Per cercare poi di interpretare queste irregolarità abbiamo messo a punto una ventina di modelli con i quali confrontare i dati. Ma né i modelli di materia oscura fredda né quelli di materia oscura “tiepida”, diciamo, riescono a spiegare un oggetto come quello che abbiamo osservato».

«È che ha un profilo molto strano, perché è particolarmente denso al centro, ma si estende tantissimo», spiega Davide Massari, coautore dello studio e ricercatore all’Istituto nazionale di astrofisica. «Quindi non è distribuito uniformemente: è come se al centro ci fosse un oggetto estremamente compatto, ma poi il profilo continuasse a estendersi a distanze molto maggiori di quelle che tipicamente si osservano in galassie o sistemi stellari di massa paragonabile».

«La parte centrale interna è coerente con un buco nero o un nucleo stellare denso», aggiunge Vegetti, «che sorprendentemente costituisce circa un quarto della massa totale dell’oggetto. Man mano che ci allontaniamo dal centro, tuttavia, la densità dell’oggetto si appiattisce in un ampio componente simile a un disco. Si tratta di una struttura che non abbiamo mai visto prima, quindi potrebbe trattarsi di una nuova classe di oggetti oscuri».

Un contributo decisivo potrebbe arrivare da nuove osservazioni, questa volta non con i radiotelescopi ma con un telescopio come Jwst, il James Webb Space Telescope. «Se alla fine riuscissimo a osservare una qualche forma d’emissione luminosa nella banda del visibile o dell’infrarosso», dice a questo proposito Cristiana Spingola, coautrice dello studio e ricercatrice all’Istituto nazionale di astrofisica, «potremmo concludere, per esempio, che si tratti di una galassia nana ultracompatta un po’ anomala, con un alone stellare insolitamente esteso. Ma se anche con JWST dovessimo continuare a non vedere la luce delle stelle o di altra materia visibile, allora vorrebbe dire che ci troviamo davanti a un oggetto le cui proprietà sono difficilmente spiegabili dagli attuali modelli di materia oscura».

Va infine ricordato che questo è il terzo oggetto di questo tipo identificato utilizzando il cosiddetto metodo di imaging gravitazionale, ma è di gran lunga il più piccolo in termini di massa e il primo ad essere caratterizzato con un livello di precisione così elevato. Tutte e tre le rilevazioni presentano proprietà che non si adattano facilmente al quadro standard della materia oscura. Identificare altri esempi sarà fondamentale per determinare se questi sistemi sono rari casi anomali o i primi indizi di una fisica che va oltre l’attuale modello della materia oscura.

Link dell'articolo su Nature Astronomy: "A possible challenge for Cold and Warm Dark Matter", di Simona Vegetti, Simon D. M. White, John P. McKean, Devon M. Powell, Cristiana Spingola, Davide Massari, Giulia Despali e Christopher D. Fassnacht