Hydrodynamical simulations of the merging cluster El Gordo in a two-state self-interacting dark matter scenario

Nel profondo della vasta ragnatela cosmica, dove le galassie si aggregano in massicci ammassi, una sostanza nascosta nota come materia oscura tiene tutto insieme. Per decenni, la teoria dominante è stata che questa materia invisibile sia "fredda" e "priva di collisioni", il che significa che le sue particelle si attraversano l'un l'altra come fantasmi, interagendo solo attraverso la gravità. Tuttavia, questa visione standard fatica a spiegare certi misteri su piccola scala dell'universo, portando alcuni scienziati a proporre che la materia oscura possa in realtà urtare se stessa, scambiando energia e quantità di moto come palle da biliardo. Questa idea, chiamata materia oscura auto-interagente, offre una potenziale soluzione a quei rompicapi su piccola scala, ma crea un nuovo problema: se la materia oscura collidesse troppo facilmente, dovrebbe lasciare dietro di sé vuoti chiari e misurabili tra la materia oscura e le galassie visibili durante lo scontro tra ammassi di galassie. Un tale ammasso, un sistema colossale e distante soprannominato "El Gordo", è stato un particolare mal di testa per gli astronomi perché la sua materia oscura e le sue galassie sembrano essere separate in un modo che sfida sia la teoria standard dei fantasmi, sia le versioni più semplici della teoria delle collisioni.

Per risolvere questo enigma cosmico, un ricercatore presso la Scuola Internazionale di Studi Avanzati in Italia ha eseguito una massiccia serie di simulazioni al computer per vedere se una versione più complessa di materia oscura auto-interagente potesse spiegare il comportamento strano di El Gordo. Lo studio si concentra su uno scenario specifico in cui le particelle di materia oscura esistono in due stati differenti, in modo simile a come un atomo può trovarsi in uno stato fondamentale o in uno stato eccitato. In questo modello, quando due particelle di materia oscura collidono, possono talvolta assorbire energia per saltare a quello stato superiore, eccitato. Questo processo, noto come up-scattering endotermico, agisce come un freno sulla collisione, alterando il modo in cui la materia oscura si comporta durante lo scontro violento tra due ammassi di galassie. Il ricercatore ha costruito un gemello digitale di El Gordo, un sistema in fusione situato così lontano che lo vediamo come era miliardi di anni fa, e ha testato come diverse tipologie di interazioni della materia oscura si sarebbero evolute nel tempo.

Le simulazioni hanno rivelato che un modello semplice in cui le particelle di materia oscura si limitano a rimbalzare l'una contro l'altra elasticamente non può corrispondere pienamente alle osservazioni di El Gordo. Sebbene un tale modello potrebbe spiegare perché la materia oscura e le galassie siano separate, non è riuscito a riprodurre la forma corretta dell'attrazione gravitazionale della materia oscura, nota come profilo di lensing, ovvero il modo in cui gli astronomi misurano la massa di queste strutture invisibili. La chiave per risolvere questo problema è stata l'inclusione del canale di up-scattering che assorbe energia. I risultati hanno mostrato che, quando le particelle di materia oscura hanno la possibilità di assorbire energia durante una collisione, creano un profilo di densità che si adatta molto meglio alle misurazioni del mondo reale. Nello specifico, le simulazioni hanno scoperto che il miglior adattamento si verifica quando la materia oscura ha un tasso di collisione elastica di circa 4-6 centimetri quadrati per grammo, combinato con un canale inelastico di assorbimento dell'energia che opera a un tasso di circa 2-4 centimetri quadrati per grammo, ma solo quando le particelle si muovono a velocità comprese tra 1.200 e 1.600 chilometri al secondo.

Questi risultati suggeriscono che lo scontro unico e ad alta velocità di El Gordo, dove i due ammassi si allontanano a oltre 2.000 chilometri al secondo, fornisce le condizioni perfette affinché questo tipo specifico di interazione della materia oscura possa verificarsi. Le simulazioni hanno riprodotto con successo la distintiva forma a doppia coda dei raggi X dell'ammasso e i particolari offset tra la materia oscura, il gas caldo e le galassie. Tuttavia, l'autore osserva con cautela che questa conclusione è altamente sensibile alle misurazioni esatte della massa dell'ammasso e della distanza tra le due parti in collisione. Se le osservazioni future dovessero mostrare che l'ammasso primario è significativamente più leggero di quanto attualmente ritenuto, o che le due parti sono più distanti, questo specifico modello di auto-interazione della materia oscura potrebbe non adattarsi più ai dati. Lo studio sostiene essenzialmente che, mentre la teoria standard del "fantasma" fallisce nello spiegare la separazione, e le teorie del semplice "rimbalzo" falliscono nel test del lensing, una materia oscura a due stati che può assorbire energia durante le collisioni ad alta velocità offre una spiegazione convincente, seppur complessa, del comportamento di questo gigante cosmico.

In definitiva, questo lavoro evidenzia che la natura della materia oscura può dipendere fortemente dall'energia dell'ambiente in cui si trova. Il ricercatore suggerisce che le osservazioni future di altri ammassi in fusione massicci e ad alta velocità saranno il fattore decisivo per confermare se questo scenario a due stati sia la vera natura della materia oscura o solo un astuto trucco di simulazione. Lo studio non pretende di aver risolto il mistero della materia oscura una volta per tutte, ma fornisce un quadro solido e testabile che colma il divario tra osservazioni contrastanti, offrendo una via percorribile per gli astronomi per distinguere tra diverse teorie dell'impalcatura invisibile dell'universo.