Risolto il mistero dei barioni mancanti: “nascosti” nella ragnatela cosmica

SCOPERTE – Il mistero dei barioni mancanti è stato finalmente risolto. Non solo la materia oscura si cela agli occhi degli astrofisici. Anche gran parte della materia ordinaria, prevista dalle teorie cosmologiche e prodotta dal Big Bang, è rimasta per lungo tempo inosservata e sembrava sparita nel nulla negli ultimi 10 miliardi di anni. A svelarne la presenza è un nuovo studio di un team internazionale di astronomi guidati da Fabrizio Nicastro, dell’Istituto nazionale di astrofisica, INAF, che è stato pubblicato sulla rivista Nature e realizzato grazie ai dati raccolti dal telescopio Xmm-Newton dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e del telescopio Hubble della NASA.

Dopo 18 anni di osservazioni, la materia mancante nell’universo è stata trovata proprio dove le teorie l’avevano prevista. I barioni mancanti infatti pervadono il cosmo come una ragnatela, “nascondendosi” in filamenti di gas caldo tra le galassie. Un risultato eccezionale per il team di Nicastro, che ha collaborato con i ricercatori della University of Colorado Boulder guidati da Michael Shull e gli scienziati dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, fino a raggiungere la soluzione di uno dei più grandi misteri dell’astrofisica moderna.

Il problema dei barioni mancanti

Partiamo dal principio. I barioni sono un gruppo di particelle composte dalla combinazione di tre quark e il loro nome deriva dal greco “barys”, cioè “pesante”. Si tratta dunque di particelle che sono caratterizzate da una massa maggiore rispetto alle altre fino ad oggi scoperte, come ad esempio i protoni, i neutroni e gli elettroni. Proprio queste particelle rappresentano i mattoni della materia ordinaria che costituisce l’universo, cioè la materia che riusciamo ad osservare e la cui natura ci è nota, al contrario di quella oscura di cui non esistono ad oggi osservazioni dirette.

Le stelle, i pianeti, le galassie e lo stesso uomo sono dunque costituiti da barioni, gli stessi che sono stati prodotti dal Big Bang quasi 14 miliardi di anni fa. Sappiamo che dalla catastrofica esplosione che ha segnato la nascita dell’universo come lo conosciamo oggi, materia oscura e materia ordinaria sono state prodotte in quantità differenti. La materia ordinaria ad oggi rappresenta infatti appena il 5 percento del nostro universo, ma circa il 30 percento di essa, prevista dalle teorie cosmologiche, mancava all’appello nelle osservazioni degli scienziati. Così è nato il problema dei barioni mancanti.

La ragnatela cosmica che pervade l’universo

Nonostante non fosse ancora stata rivelata, la materia ordinaria doveva esistere. Negli ultimi 20 anni gli astronomi hanno lavorato per individuarne la probabile posizione nel cosmo e anche se sembrava scomparsa nel nulla, alcuni modelli teorici prevedevano che questa materia ordinaria si celasse tra le galassie. Il primo “incontro” di Nicastro con i barioni mancanti risale al 2005, quando lavorava presso il Centro di Astrofisica Harvard-Smithsonian di Cambridge. Il ricercatore italiano aveva infatti intercettato il “nascondiglio” della materia mancante, ma una prova definitiva era necessaria.

Intanto nel 2012 Shull e colleghi avevano teorizzato che circa il 30 percento di barioni mancanti si nascondesse lungo sottili filamenti di gas ionizzato ad altissime temperature, chiamati WHIM, tessendo una ragnatela cosmica che emette radiazioni così deboli che gli scienziati  non erano però ancora in grado di osservare.

Da allora la caccia alla materia barionica è diventata sempre più pressante. Per risolvere il mistero, il team internazionale di astronomi ha concentrato la sua attenzione sul quasar chiamato 1ES 1553+113, situato nella stessa porzione di cielo già osservata da Nicastro nel 2005.  Il lontano quasar, che ospita nel suo cuore un buco nero che consuma e riemette enormi quantità di gas, rappresenta infatti un faro molto luminoso nello spazio ed è stato osservato tra il 2015 e il 2017 utilizzando lo spettrografo del telescopio spaziale Hubble, Cosmic Origins Spectrograph, e gli strumenti a bordo del satellite X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton) dell’ESA.

I ricercatori hanno così raccolto tre settimane di osservazione e molte informazioni sullo spazio intergalattico, utilizzando il quasar proprio come se fosse un faro che guida nella nebbia i marinai in mare aperto. Combinando i dati ottenuti dai due telescopi, gli astronomi sono così riusciti ad ottenere una “radiografia” dettagliata del materiale che si trova tra la Terra e “faro” cosmico. Dall’analisi degli spettri raccolti dai telescopi spaziali hanno così iniziato a osservare una serie di deboli righe di assorbimento, righe che erano dovute proprio alla presenza di enormi quantità di barioni nascosti tra i filamenti di gas ionizzato ad altissime temperature e che si estendono per milioni di anni luce tra le galassie.

Non solo dunque i ricercatori hanno osservato la ragnatela cosmica che era stata teorizzata, ma hanno ottenuto anche informazioni sulla densità dei filamenti. Un dato importante, perché la densità si è rivelata così alta che sommando tutti i filamenti intergalattici nell’universo la quantità di materia ordinaria di cui sono composti ammonta proprio a quel 30 percento di materia mancante. Il mistero dei barioni mancanti, dunque, può considerarsi risolto.

Risolto il mistero. E ora?

Quello raggiunto da Nicastro e colleghi rappresenta un risultato importantissimo, la soluzione a uno dei più grandi misteri cosmologici dei nostri tempi, come lui stesso ha spiegato: “La materia che abbiamo trovato è esattamente nella posizione e nella quantità predette dalla teoria, quindi possiamo dire di aver risolto uno dei più grandi misteri dell’astrofisica moderna: quella dei barioni mancanti”.

Ora che la materia mancante è stata osservata, il lavoro dei ricercatori però non può considerarsi concluso. Shull infatti ha sottolineato che il censimento barionico degli elementi della tavola periodica rappresenta uno dei pilastri chiave per fornire la prova della teoria del Big Bang. Il sospetto degli scienziati è che i quasar e le galassie soffino via i filamenti di gas, disperdendoli nello spazio profondo da miliardi di anni. La caccia alla materia ordinaria, ormai non più invisibile, resta dunque aperta, con gli astronomi che rivolgeranno ora i telescopi spaziali verso quasar ancora più brillanti.

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