Ammassi di galassie per spiegare l’energia oscura

RICERCANDO ALL’ESTERO – Gli ammassi di galassie sono i più grandi oggetti legati gravitazionalmente dell’Universo: hanno una massa di milioni di miliardi di stelle e, in genere, sono composti da decine o migliaia di galassie. La loro formazione ed evoluzione sono strettamente collegate alla storia di espansione dell’Universo. Per questo motivo, gli studi sugli ammassi di galassie sono diventati fondamentali per riuscire a stabilire un modello standard della cosmologia, con un Universo dominato dalla materia oscura e dall’energia oscura.

Matteo Costanzi lavora all’USM-LMU di Monaco di Baviera e si occupa dello studio dell’Universo su larga scala attraverso ammassi di galassie. Nella sua ricerca confronta le proprietà statistiche di queste strutture con le osservazioni ottenute dai telescopi in banda ottica.

Come si individuano gli ammassi di galassie?

La cosmologia degli ammassi di galassie si basa principalmente su osservazioni in ottico, infrarosso, raggi X e microonde. La mia ricerca si concentra sull’ottico e si basa sulla Dark Energy Survey (DES), un’indagine del cielo mirata a capire di cosa è fatto il nostro Universo e come la sua composizione è cambiata nel tempo (ndr su OggiScienza ne abbiamo parlato qui). La DES usa un telescopio presente all’osservatorio di Cerro Tololo (Cile) che osserva il cielo fino a un redshift di 0,8.

Per individuare gli ammassi di galassie in banda ottica si usano le cosiddette galassie di sequenza rossa: nelle zone del cielo in cui c’è un’alta concentrazione di galassie di sequenza rossa, molto probabilmente c’è un ammasso di galassie. Esistono diversi algoritmi per trovare gli ammassi, basati sulla probabile disposizione delle galassie al loro interno, sui colori che dovrebbero avere a un dato redshift e così via. Poi, tramite modelli probabilistici, possiamo creare un vero e proprio catalogo di ammassi di galassie, che raccoglie la loro localizzazione e il numero di galassie che contengono.

Dal punto di vista teorico che modelli testate?

Il primo è il modello standard Lambda-CDM (Cold Dark Matter), che attualmente è il modello che descrive meglio le osservazioni cosmologiche. Lambda è la costante cosmologica e rappresenta la densità di energia oscura che potrebbe generare un’accelerazione nell’espansione dell’Universo. Tuttavia, pur sapendo che l’Universo si sta espandendo in modo accelerato, non c’è modello fisico che spieghi perché la costante Lambda sia lì. Per questo, nelle nostre analisi consideriamo anche l’equazione di stato dell’energia oscura: si tratta di una relazione utile per descrivere e verificare le proprietà dell’energia oscura presenti in vari modelli.

I parametri fondamentali che vogliamo studiare con gli ammassi di galassie sono la densità di materia, il tasso di crescita delle strutture su larga scala, la massa dei neutrini e il parametro dell’equazione di stato dell’energia oscura. Per quanto riguarda i neutrini, sappiamo che ci sono e che sono dotati di massa, quindi è essenziale aggiungerli al modello standard. Per le strutture su larga scala, sappiamo che nell’Universo ad alto redshift c’erano fluttuazioni di densità di materia che pian piano sono collassate sotto la forza di gravità e hanno formato gli ammassi di galassie, le galassie, i pianeti e così via. A seconda dei vari processi e della quantità delle differenti componenti dell’Universo, si può immaginare che la velocità con cui questi oggetti si formano cambi e che sia possibile definire un tasso, una velocità di formazione. Dato che gli ammassi di galassie sono gli oggetti più massivi dell’Universo, lo studio della loro abbondanza in funzione della massa e del redshift può dirci con che velocità le strutture si stanno formando nell’Universo e vincolare la cosiddetta ampiezza dello spettro di fluttuazioni di materia.

Infine, il parametro dell’equazione di stato è utile per capire se ci sono deviazioni rispetto al modello standard di costante cosmologica: non abbiamo nessun modello fondamentale teorico per spiegare l’energia oscura e riuscire a vincolare questo parametro è diventato cruciale. Sappiamo che, se il parametro dell’equazione di stato assume il valore -1, allora identifica la costante cosmologica Lambda, e che tutti gli scostamenti da -1 indicano che l’energia oscura evolve nel tempo. Attualmente questo parametro è uguale a -1 ± 0.3, ma in questo ± 0.3 sono inclusi migliaia di modelli teorici e per riuscire a restringere gli errori abbiamo bisogno di più dati.

Come avviene il confronto tra dati osservativi e predizioni teoriche?

Questo passaggio è la parte più difficile oggi, perché dobbiamo riuscire a convertire quello che osserviamo, quindi il numero di galassie, in massa e dobbiamo farlo nella maniera più precisa possibile. I modelli teorici, infatti, danno un’indicazione di quanti ammassi ci aspettiamo di vedere in funzione della massa e del redshift.

Non è possibile ricavare la massa dalle osservazioni perché non riusciamo realmente a pesare un ammasso; dobbiamo perciò affidarci ad altre proprietà che ci permettano di tradurre la quantità in massa. In generale, sappiamo che più galassie sono associate a un certo ammasso, più questo oggetto sarà pesante. Per la conversione numero-massa possiamo allora usare la ricchezza, cioè il numero di galassie contenute nell’ammasso.

Invece, per misurare la distanza, cioè il redshift, si usano metodi fotometrici: grazie alla luminosità emessa a una data lunghezza d’onda da ciascuna delle galassie presenti nell’ammasso, possiamo avere una stima del loro redshift e ricavare il redshift dell’intero ammasso.

A questo punto, è possibile creare un catalogo di ammassi di galassie con indicato il numero di oggetti presenti in una regione di cielo, la loro ricchezza e la distanza, e confrontarlo con i modelli teorici.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

Stiamo analizzando i dati della Dark Energy Survey ma finora non abbiamo trovato nulla di sconvolgente: riusciamo a ottenere dei vincoli consistenti col modello Lambda-CDM e non ci sono grandi deviazioni rispetto alle predizioni con la radiazione cosmica di fondo.
Trovare deviazioni ci farebbe rivedere il modello, soprattutto nel suo punto cruciale cioè la conversione tra ricchezza e ammassi di galassie.

Nome: Matteo Costanzi
Età: 32 anni
Nato a: Perugia
Vivo a: Monaco di Baviera (Germania)
Dottorato in: fisica (Trieste)
Ricerca: cosmologia con ammassi di galassie
Istituto: Fakultät für Physik, Universitäts-Sternwarte München, Ludwig-Maximilians-Universität (Monaco di Baviera)
Interessi: giocare a calcio, birra, amici
Di Monaco di Baviera mi piace: il verde, il parco che taglia la città
Di Monaco di Baviera non mi piace: il clima
Pensiero: Per quanto voi vi crediate assolti siete per sempre coinvolti. (De Andrè, Canzone del Maggio)

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