I quasar mappano la materia oscura attraverso 10 miliardi di anni luce

In che modo i quasar aiutano a mappare la materia oscura?

I quasar aiutano a mappare la materia oscura agendo come tracciatori luminosi che risiedono all'interno di massicci aloni invisibili, rivelando la sottostante struttura gravitazionale dell'universo. Poiché questi buchi neri supermassicci si aggregano in regioni ad alta densità, il loro raggruppamento spaziale consente agli astronomi di dedurre la distribuzione della materia oscura attraverso miliardi di anni luce, sebbene la materia stessa non emetta alcuna luce.

La struttura a grande scala dell'Universo viene spesso descritta come una "ragnatela cosmica", una complessa rete di filamenti e nodi dove si concentra la materia. Mappare questa rete è un compito monumentale perché la stragrande maggioranza della sua massa è costituita da materia oscura, che non interagisce con la radiazione elettromagnetica. Per ovviare a ciò, i ricercatori Guilhem Lavaux, Jens Jasche e Arthur Loureiro hanno utilizzato il catalogo di quasar Quaia recentemente pubblicato. Trattando i quasar come "fari cosmologici", il team è stato in grado di ricostruire lo "scheletro" tridimensionale dell'universo attraverso un'estensione record di 10 miliardi di anni luce.

I quasar sono particolarmente utili per questo tipo di ricostruzione a causa della loro estrema luminosità, che permette di vederli attraverso vasti intervalli di "redshift". Questo studio ha sfruttato i dati della sonda spaziale Gaia per creare due campioni principali: il campione "Clean" (G < 20,0) e il campione "Deep" (G < 20,5). Questi campioni forniscono un'ampia copertura dell'intero cielo, essenziale per comprendere come la materia si sia raggruppata nel tempo cosmico. Analizzando il "bias dei quasar" — la relazione matematica tra la posizione in cui appaiono i quasar e le aree in cui risiedono le più alte concentrazioni di materia — i ricercatori hanno potuto visualizzare l'impalcatura invisibile del cosmo con una scala senza precedenti.

In che modo la missione Gaia contribuisce alla cosmologia?

La missione Gaia contribuisce alla cosmologia fornendo dati astrometrici precisi per miliardi di oggetti celesti, consentendo la creazione di mappe 3D dettagliate dell'universo. Sebbene originariamente progettata per mappare la Via Lattea, la capacità di indagine dell'intero cielo di Gaia permette ora ai cosmologi di collegare le strutture galattiche locali alla struttura a grande scala dell'Universo e di testare teorie fondamentali della fisica.

Sebbene Gaia sia nota principalmente per il suo impatto rivoluzionario sull'archeologia galattica, la sua capacità di identificare e catalogare milioni di quasar ha aperto nuove porte per la cosmologia a livello di campo. Il catalogo Quaia, derivato dai dati di magnitudine in banda ottica di Gaia, offre un vantaggio unico: fornisce una vista coerente dell'intero cielo che i telescopi terrestri spesso faticano a eguagliare a causa delle interferenze atmosferiche e del campo visivo limitato. Questa copertura completa è vitale per l'inferenza a livello di campo, un metodo che ricostruisce l'intero campo di densità anziché limitarsi a calcolare statistiche medie.

Per elaborare questo enorme set di dati, il team di ricerca ha impiegato l'algoritmo BORG (Bayesian Origin Reconstruction from Galaxies). Questo sofisticato framework utilizza un "modello diretto" basato sulla fisica per simulare l'evoluzione dell'universo. La metodologia incorpora diversi fattori critici:

• Teoria delle perturbazioni lagrangiane: Un quadro matematico utilizzato per modellare il movimento della materia dall'universo primordiale ai giorni nostri.
• Effetti del cono di luce: Correzioni che tengono conto del fatto che vediamo gli oggetti distanti come erano nel passato, non come sono oggi.
• Distorsioni nello spazio dei redshift: Correzioni per lo spostamento apparente degli oggetti causato dalle loro velocità peculiari verso o lontano da noi.
• Effetti di selezione dell'indagine: Considerazione dei "tagli del cielo" e della contaminazione di primo piano per garantire che i dati siano rappresentativi della reale distribuzione cosmica.

Com'era l'universo al momento del Big Bang?

Al momento del Big Bang, l'universo era un plasma incredibilmente caldo, denso e quasi uniforme, in cui materia ed energia erano indistinguibili. Le fluttuazioni quantistiche microscopiche in questo stato primordiale sono servite come "semi" per tutte le strutture future, collassando infine sotto l'effetto della gravità per formare gli aloni di materia oscura e le galassie osservate nella moderna ragnatela cosmica.

Uno dei risultati più profondi dell'algoritmo BORG è la sua capacità di eseguire un "reverse-engineering" su scala cosmica. Applicando questo algoritmo al catalogo Quaia, Lavaux, Jasche e Loureiro sono stati in grado di ricostruire le condizioni iniziali dell'universo — creando essenzialmente una mappa di come appariva il cosmo poco dopo il Big Bang. Questo processo comporta il tracciamento delle traiettorie delle particelle a ritroso nel tempo, tenendo conto dell'espansione dello spazio e dell'attrazione gravitazionale delle strutture in evoluzione.

Le ricostruzioni risultanti coprono un volume comovente di (10h⁻¹ Gpc)³ con una risoluzione spaziale di 39,1 h⁻¹Mpc. Questa rappresenta la più grande ricostruzione a livello di campo dell'universo osservabile fino ad oggi. Colmando il divario tra i semi primordiali dell'universo primordiale e la distribuzione attuale della materia oscura, lo studio fornisce una narrazione continua dell'evoluzione cosmica. I ricercatori hanno validato queste mappe attraverso la correlazione incrociata con i dati di lensing del CMB di Planck, rilevando un segnale con una significatività di circa 4σ, il che conferma che i loro modelli 3D riflettono accuratamente la reale distribuzione della massa nell'universo.

L'importanza dell'inferenza a livello di campo

L'inferenza a livello di campo rappresenta un cambiamento nel modo in cui studiamo il cosmo. I metodi tradizionali si basano spesso su funzioni di correlazione a due punti, che analizzano la distanza media tra coppie di galassie. Tuttavia, l'inferenza a livello di campo, come utilizzata in questo studio, tenta di ricostruire la densità specifica in ogni punto dello spazio. Ciò fornisce un prodotto di dati ad alta fedeltà, comprese le mappe a posteriori delle condizioni iniziali, della densità di materia oscura attuale e dei campi di velocità. Queste mappe permettono agli scienziati di vedere non solo le proprietà medie dell'universo, ma la specifica "ragnatela" che connette le galassie attraverso 10 miliardi di anni luce.

Implicazioni future e l'energia oscura

Le implicazioni di questa mappa 3D vanno ben oltre la semplice visualizzazione; forniscono un nuovo strumento per indagare i misteri dell'energia oscura. Comprendendo la crescita precisa delle strutture cosmiche negli ultimi 10 miliardi di anni, gli scienziati possono misurare meglio come l'energia oscura abbia accelerato l'espansione dell'universo. Il quadro stabilito in questo lavoro è progettato per essere scalabile, il che significa che può essere applicato a future indagini a campo largo da missioni imminenti come Euclid o il Vera C. Rubin Observatory.

In sintesi, l'uso del catalogo di quasar Quaia e dell'algoritmo BORG ha trasformato la nostra capacità di vedere l'invisibile. Tracciando i percorsi dei fari più distanti nel cielo, i ricercatori hanno mappato lo scheletro di materia oscura del nostro universo, fornendo una finestra sul passato che risale fino all'alba dei tempi. Questo lavoro non solo fornisce una mappa ad alta risoluzione del cosmo attuale, ma stabilisce anche una metodologia robusta per tutti i futuri tentativi di decodificare la storia del Big Bang e l'evoluzione della struttura a grande scala.