Un nuovo modello analitico potrebbe fare più luce sulla distribuzione delle stelle e della materia oscura nelle galassie
Si prevede che le indagini cosmologiche del prossimo futuro rileveranno miliardi di galassie, individuandone la posizione e la forma con una straordinaria precisione. Queste misurazioni sono utilizzabili per dedurre come l’Universo si sia evoluto e sia stato portato al suo stato attuale. A loro volta, queste informazioni sono utilizzabili per dedurre i costituenti fondamentali del cosmo e consentire eventuali nuove intuizioni nella misteriosa energia oscura e materia oscura che costituiscono la stragrande maggioranza della massa nell’Universo. «Per ottenere informazioni significative dalle proprietà della galassia per la materia oscura è necessaria una solida comprensione teorica del processo inverso: in che modo i diversi modelli teorici di materia oscura ed energia oscura influenzano la formazione della struttura cosmologica, e quindi, le proprietà della galassia?», osserva Alexander Mead, coordinatore di Halo modelling, un progetto finanziato nell’ambito del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie.
Modello di alone cosmologico migliorato
Un modo diretto per sondare la formazione della struttura è eseguire simulazioni cosmologiche che implicano attacchi di forza bruta esaustivi per ogni scenario cosmologico immaginato. Il progetto Halo modelling ha sviluppato nuovi strumenti teorici che consentono di risparmiare milioni di ore di tempo di calcolo. «Il nostro modello semi-analitico di nuova concezione apporta numerosi miglioramenti al modello di alone consolidato, fondendo le informazioni provenienti da risultati di simulazione all’avanguardia. Per la prima volta, tratta le parti che costituiscono l’alone, ovvero aloni stellari, di gas caldo e di materia oscura, come separati, disegnando così un’immagine più coerente dell’evoluzione della galassia. Esso ci consente inoltre di utilizzare la stessa struttura teorica di fondo per calcolare le correlazioni incrociate tra diversi traccianti di strutture su larga scala nell’Universo», spiega Mead. Un’altra parte della ricerca era volta a fornire una descrizione più accurata di come gli ammassi di materia legati gravitazionalmente sono distribuiti sul tenue alone di gas e sull’invisibile alone di materia oscura. Con il loro nuovo modello, i ricercatori sono riusciti a modellizzare la distribuzione della materia con un’accuratezza superiore al 3 % per una vasta gamma di modelli cosmologici. Il nuovo modello è stato inserito in un nuovo software open source denominato HMcode-2020. In ultima analisi, i ricercatori si sono resi conto di una grave lacuna che vede la teoria della formazione della struttura cosmologica standard trattare in modo troppo semplicistico il bias dell’alone, ovvero una quantità che riflette il modo in cui gli aloni di materia oscura sono raggruppati rispetto alla distribuzione della materia sottostante. «Le relazioni lineari sbagliano nel descrivere le dinamiche attorno alle strutture collassate. Sviluppare ulteriormente la teoria delle perturbazioni per affrontare le non linearità è all’avanguardia della cosmologia teorica», aggiunge Mead. «Simulazioni migliorate potrebbero rendere un quadro più chiaro di come la formazione delle galassie risponde al modello cosmologico di fondo, inclusa la quantità e i tipi di energia oscura e materia oscura, ma simulare tutti gli strani e meravigliosi scenari cosmologici in esame sarebbe impossibile. Un modello semi-analitico che colmi il divario tra pura intuizione teorica e risultati di simulazione sarà sempre uno strumento inestimabile nell’arsenale dei cosmologi», conclude Mead.
Parole chiave
Halo modelling, alone, materia oscura, formazione della struttura, materia gravitazionalmente legata, scenario cosmologico, teoria delle perturbazioni