L'Universo tira una palla curva: il paradosso della distribuzione di materia oscura

Figura 1: Un esempio di immagine ottenuta con HSC-SSP. Credito: progetto HSC-SSP & NAOJ

Gli astrofisici hanno trovato che la "compattezza" della materia oscura dell'Universo è di 0,76, un valore in contrasto con il valore del Fondo Cosmico a Microonde di 0,83, indicando possibili errori o un modello cosmologico incompleto. La ricerca ha utilizzato i dati del Programma Strategico Iper Suprime-Cam Subaru e indagherà ulteriormente questa intrigante discrepanza.

Un team internazionale di astrofisici e cosmologi di vari istituti tra cui NAOJ e l'Istituto Kavli per la Fisica e la Matematica dell'Universo ha presentato un insieme di cinque articoli, misurando il valore della "compattezza" della materia oscura dell'Universo, conosciuta dai cosmologi come S8. Il valore riportato è 0,76, che si allinea con i valori che altre indagini sul lente gravitazionale hanno trovato guardando all'Universo relativamente recente, ma non si allinea con il valore di 0,83 derivato dal Fondo Cosmico a Microonde, che risale all'epoca in cui l'Universo aveva circa 380.000 anni. La discrepanza tra questi due valori è piccola, ma non sembra essere accidentale. Le possibilità sono che ci sia qualche errore o imprecisione non riconosciuto in una di queste due misurazioni o che il modello cosmologico standard sia incompleto in modo interessante.

Il modello standard del nostro Universo è definito solo da una manciata di numeri: il tasso di espansione dell'Universo, una misura della compattezza della materia oscura (S8), i contributi relativi dei costituenti dell'Universo (materia, materia oscura ed energia oscura), la densità complessiva dell'Universo e una quantità tecnica che descrive come la compattezza dell'Universo su larga scala si riferisca a quella su piccola scala. I cosmologi sono desiderosi di testare questo modello limitando questi numeri in vari modi, come osservando le fluttuazioni nel Fondo Cosmico a Microonde, modellando la storia dell'espansione dell'Universo, o misurando la compattezza dell'Universo nel passato relativamente recente.

Figura 2: Un esempio di distribuzione 3D della materia oscura derivata da HSC-SSP. Questa mappa è stata ottenuta utilizzando i dati del primo anno, ma lo studio attuale esamina un'area del cielo circa tre volte più grande. Credito: Università di Tokyo/NAOJ

Un team guidato da astronomi dell'Istituto Kavli per la Fisica e la Matematica dell'Universo, dell'Università di Tokyo, dell'Università di Nagoya, dell'Università di Princeton e delle comunità astronomiche del Giappone e di Taiwan, ha passato l'ultimo anno cercando i segreti del materiale più sfuggente, la materia oscura, utilizzando sofisticate simulazioni al computer e dati dei primi tre anni del Programma Strategico Iper Suprime-Cam Subaru (HSC-SSP). Il programma di osservazione ha utilizzato una delle fotocamere astronomiche più potenti al mondo, l'Hiper Suprime-Cam (HSC) montata sul Telescopio Subaru. I dati HSC-SSP utilizzati dal team di ricerca coprono circa 420 gradi quadrati del cielo, circa l'equivalente di 2000 lune piene.

Grumi di materia oscura distorcono la luce delle galassie lontane attraverso il debole lente gravitazionale, un fenomeno previsto dalla Teoria della Relatività Generale di Einstein. Questa distorsione è un effetto molto piccolo; la forma di una singola galassia è distorta di una quantità impercettibile. Ma il team ha misurato la distorsione con molta precisione combinando le misurazioni per 25 milioni di galassie deboli che si trovano a miliardi di anni luce di distanza. Successivamente, il team ha misurato la compattezza dell'Universo oggi (Figura 3).

Figura 3: I risultati di misurazione del parametro S8 dai dati HSC-SSP Anno 3. Il grafico mostra i risultati da quattro diversi metodi, che hanno utilizzato diverse parti dei dati HSC-SSP Anno 3 o hanno combinato i dati HSC-SSP Anno 3 con altri dati. Per confronto, "Planck CMB" mostra il risultato di misura per S8 dai dati di fondo cosmico a microonde del satellite Planck. "Altri risultati di lente debole" mostra i risultati da misurazioni di lente debole simili basate sui dati del Dark Energy Survey (DES) e del Kilo-Degree Survey (KiDS). Credito: Kavli IPMU

La discrepanza tra i valori di S8 di HSC-SSP e del satellite Planck è molto sottile. Il team pensa che la misurazione sia stata fatta correttamente e attentamente. E le statistiche mostrano che c'è solo una probabilità su 20 che la differenza sia solo casualità, il che è convincente ma non del tutto definitivo. Il team approfondirà ulteriormente questa intrigante incongruenza utilizzando l'intero set di dati HSC-SSP e metodi perfezionati. Il team potrebbe scoprire qualcosa di nuovo sull'Universo, perciò rimanete sintonizzati.

Per maggiori informazioni su questa ricerca, vedere la misurazione della materia oscura con Hyper Suprime-Cam rileva la discrepanza.

“Hyper Suprime-Cam Year 3 Results: Cosmology from Galaxy Clustering and Weak Lensing with HSC and SDSS using the Emulator Based Halo Model” by Hironao Miyatake, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada, Takahiro Nishimichi, Xiangchong Li, Masato Shirasaki, Surhud More, Yosuke Kobayashi, Atsushi J. Nishizawa, Markus M. Rau, Tianqing Zhang, Ryuichi Takahashi, Roohi Dalal, Rachel Mandelbaum, Michael A. Strauss, Takashi Hamana, Masamune Oguri, Ken Osato, Wentao Luo, Arun Kannawadi, Bau-Ching Hsieh, Robert Armstrong, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Lauren A. MacArthur, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Yuki Okura, Paul A. Price, Tomomi Sunayama, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka and Shiang-Yu Wang, 3 April 2023, Astrophysics > Cosmology and Nongalactic Astrophysics.arXiv:2304.00704

“Hyper Suprime-Cam Year 3 Results: Measurements of Clustering of SDSS-BOSS Galaxies, Galaxy-Galaxy Lensing and Cosmic Shear” by Surhud More, Sunao Sugiyama, Hironao Miyatake, Markus Michael Rau, Masato Shirasaki, Xiangchong Li, Atsushi J. Nishizawa, Ken Osato, Tianqing Zhang, Masahiro Takada, Takashi Hamana, Ryuichi Takahashi, Roohi Dalal, Rachel Mandelbaum, Michael A. Strauss, Yosuke Kobayashi, Takahiro Nishimichi, Masamune Oguri, Arun Kannawadi, Robert Armstrong, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Yuki Okura, Paul A. Price, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka and Shiang-Yu Wang, 3 April 2023, Astrophysics > Cosmology and Nongalactic Astrophysics.arXiv:2304.00703

“Hyper Suprime-Cam Year 3 Results: Cosmology from Galaxy Clustering and Weak Lensing with HSC and SDSS using the Minimal Bias Model” by Sunao Sugiyama, Hironao Miyatake, Surhud More, Xiangchong Li, Masato Shirasaki, Masahiro Takada, Yosuke Kobayashi, Ryuichi Takahashi, Takahiro Nishimichi, Atsushi J. Nishizawa, Markus M. Rau, Tianqing Zhang, Roohi Dalal, Rachel Mandelbaum, Michael A. Strauss, Takashi Hamana, Masamune Oguri, Ken Osato, Arun Kannawadi, Robert Armstrong, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Yuki Okura, Paul A. Price, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka and Shiang-Yu Wang, 3 April 2023, Astrophysics > Cosmology and Nongalactic Astrophysics.arXiv:2304.00705

“Hyper Suprime-Cam Year 3 Results: Cosmology from Cosmic Shear Power Spectra” by Roohi Dalal, Xiangchong Li, Andrina Nicola, Joe Zuntz, Michael A. Strauss, Sunao Sugiyama, Tianqing Zhang, Markus M. Rau, Rachel Mandelbaum, Masahiro Takada, Surhud More, Hironao Miyatake, Arun Kannawadi, Masato Shirasaki, Takanori Taniguchi, Ryuichi Takahashi, Ken Osato, Takashi Hamana, Masamune Oguri, Atsushi J. Nishizawa, Andrés A. Plazas Malagón, Tomomi Sunayama, David Alonso, Anže Slosar, Robert Armstrong, James Bosch, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Lauren A. MacArthur, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Takahiro Nishimichi, Yuki Okura, Paul A. Price, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka and Shiang-Yu Wang, 3 April 2023, Astrophysics > Cosmology and Nongalactic Astrophysics.arXiv:2304.00701

“Hyper Suprime-Cam Year 3 Results: Cosmology from Cosmic Shear Two-point Correlation Functions” by Xiangchong Li, Tianqing Zhang, Sunao Sugiyama, Roohi Dalal, Markus M. Rau, Rachel Mandelbaum, Masahiro Takada, Surhud More, Michael A. Strauss, Hironao Miyatake, Masato Shirasaki, Takashi Hamana, Masamune Oguri, Wentao Luo, Atsushi J. Nishizawa, Ryuichi Takahashi, Andrina Nicola, Ken Osato, Arun Kannawadi, Tomomi Sunayama, Robert Armstrong, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Takahiro Nishimichi, Yuki Okura, Paul A. Price, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka, Shiang-Yu Wang, 3 April 2023, Astrophysics > Cosmology and Nongalactic Astrophysics.arXiv:2304.00702