Discovering Substellar Dark Matter Halos with Astrometric Weak Lensing of Multiply Imaged Quasars

La materia oscura è l'impalcatura invisibile dell'universo. Sappiamo che è presente perché la sua gravità tiene insieme le galassie e piega il percorso della luce proveniente da stelle distanti, eppure non abbiamo mai visto una singola particella di essa. Per decenni, gli scienziati hanno ipotizzato che questa misteriosa sostanza sia "fredda", ovvero che si muova lentamente e si aggreghi facilmente, formando una vasta rete cosmica di aloni che vanno dai massicci ammassi di galassie fino a minuscole nuvole sub-stellari. Tuttavia, le più piccole di queste nuvole sono rimaste ostinatamente fuori portata. Le teorie prevedono che dovrebbero esistere in numeri sbalorditivi, ma gli attuali telescopi non riescono a vederle perché non emettono luce e sono troppo piccole per distorcere le immagini degli oggetti sullo sfondo in modi che possiamo misurare facilmente. Ciò lascia un vuoto nella nostra comprensione: se l'universo è pieno di questi piccoli grumi di materia oscura, abbiamo bisogno di un modo per trovarli e, nel farlo, potremmo finalmente scoprire di cosa sia fatta la materia oscura.

Un nuovo studio propone un modo ingegnoso per dare la caccia a questi puntini invisibili osservando come la luce si muove nel tempo. I ricercatori Ken Van Tilburg e David E. Kaplan suggeriscono di utilizzare una tecnica chiamata lente gravitazionale astrometrica nel dominio del tempo. Immaginate di guardare un lontano quasar, un brillante faro di luce alimentato da un buco nero, che è stato diviso in più immagini da una massiccia galassia o da un ammasso di galassie situato tra esso e la Terra. Mentre la luce di queste immagini viaggia verso di noi, passa attraverso i campi gravitazionali di innumerevoli minuscoli aloni di materia oscura. Questi aloni agiscono come lenti invisibili, deviando leggermente il percorso della luce. Poiché la Terra, la galassia che funge da lente e il quasar sono tutti in movimento, i fasci di luce scorrono attraverso questi piccoli aloni. Questo movimento causa un tremolio e uno spostamento delle posizioni apparenti delle immagini del quasar secondo un modello specifico e prevedibile. Misurando questi minuscoli movimenti con estrema precisione per molti anni, gli scienziati potrebbero rilevare il collettivo tiro gravitazionale delle più piccole strutture di materia oscura dell'universo.

Il team si è concentrato su due specifici laboratori cosmici per testare questa idea: un quasar con lente galattica noto come B1422+231 e un quasar con lente di ammasso chiamato SDSS J1029+2623. Nel primo sistema, una galassia in primo piano divide la luce del quasar in quattro immagini luminose. Nel secondo, un massiccio ammasso di galassie crea tre immagini ampiamente separate. I ricercatori hanno simulato una campagna di dieci anni utilizzando uno strumento futuro capace di misurare la posizione di questi punti luminosi con una precisione di un decimo di microarcosecondo. Per visualizzare quanto ciò sia piccolo, immaginate di misurare la larghezza di un capello umano da una distanza di 100 chilometri; questo è il livello di nitidezza richiesto. Hanno scoperto che, se la teoria standard della materia oscura fredda è corretta, le immagini di questi quasar dovrebbero mostrare un "oscillazione" misurabile e una leggera accelerazione anomala nel loro moto. Questo segnale sarebbe più forte per gli aloni di materia oscura con masse comprese tra un milionesimo e una massa solare, un intervallo che è dodici o quattordici ordini di grandezza più piccolo delle più piccole strutture di materia oscura mai rilevate finora.

Lo studio prevede che un sondaggio del genere potrebbe rilevare la presenza di questi micro-aloni con un alto grado di fiducia, a condizione che i dati siano puliti da altre fonti di rumore. L'ostacolo principale non è lo strumento, ma le stelle all'interno delle galassie che fungono da lente. Anche le stelle possono piegare la luce, creando un sottofondo di "microlente" che potrebbe nascondere il segnale sottile della materia oscura. Tuttavia, i ricercatori dimostrano che, per la lente galattica, le stelle sono abbastanza scarse vicino alle immagini del quasar da poter essere identificate e sottratte una ad una utilizzando l'interferometria di intensità avanzata. Per la lente di ammasso, l'ambiente è ancora più privo di stelle, offrendo una vista più pulita, sebbene le immagini siano più deboli. Se il sondaggio dovesse riuscire a rilevare questo tremolio, confermerebbe che l'universo è effettivamente pieno di questi minuscoli grumi di materia oscura con massa terrestre. Definirebbe anche limiti rigorosi alle proprietà della particella di materia oscura, escludendo molti modelli teorici che prevedono una distribuzione più fluida e meno granulosa.

Al contrario, se il sondaggio non dovesse trovare nulla, le implicazioni sarebbero altrettanto profonde. L'assenza di questo tremolio suggerirebbe che i più piccoli aloni di materia oscura non esistono o sono stati distrutti, il che significherebbe che la particella di materia oscura è molto più pesante o interagisce in modi che impediscono l'aggregazione su scale così piccole. Ciò costringerebbe a riscrivere la nostra comprensione dell'universo primordiale, specificamente le condizioni appena dopo il Big Bang quando queste strutture si sarebbero formate. Il documento sottolinea che, sebbene nessun telescopio attuale possa raggiungere la precisione necessaria, la tecnologia è alla portata di strumenti di prossima generazione come la proposta struttura EPIC. Trasformando il cielo in un enorme esperimento a lungo termine, gli astronomi potrebbero finalmente pesare i componenti invisibili del cosmo, passando dal semplice indovinare la natura della materia oscura alla misurarla direttamente.