James Webb Telescope: le galassie “sbagliate” che potrebbero svelare il vero volto della Materia Oscura

Il Telescopio Spaziale James Webb (JWST) continua a creare grattacapi ai sostenitori dello status quo cosmologico. Le nuove osservazioni delle galassie primordiali mostrano forme allungate impreviste, suggerendo che la Materia Oscura potrebbe comportarsi come un’onda quantistica e non come la “particella fredda” che abbiamo ipotizzato per decenni.

Siamo abituati a pensare alla scienza come a un edificio di certezze granitiche, ma spesso basta uno strumento più potente per notare le crepe nelle fondamenta. Il James Webb Space Telescope della NASA, con la sua capacità di scrutare l’alba dell’universo, ci ha appena regalato un altro di questi momenti. Le galassie formatesi nei primi 1,8 miliardi di anni dopo il Big Bang non sono come ce le aspettavamo. Non sono i dischi o le sfere familiari che popolano l’universo locale. Sono allungate, stirate, simili a sigari cosmici.

Questo dettaglio, apparentemente estetico, rappresenta una sfida diretta al Modello Standard cosmologico e alla teoria della “Materia Oscura Fredda” (Cold Dark Matter – CDM).

Il problema dei modelli standard

Secondo la teoria dominante, le galassie crescono nel tempo da piccoli grumi di materia oscura fredda. Questi grumi, agendo come pozzi gravitazionali, attirano gas e polvere formando ammassi stellari che poi si fondono in galassie più grandi. Se questo modello fosse perfettamente corretto, le simulazioni dovrebbero mostrarci galassie primordiali tozze o sferoidali.

Invece, il JWST ci mostra filamenti.

Un nuovo studio pubblicato su Nature Astronomy, guidato da Álvaro Pozo del Donostia International Physics Center e con il contributo di Rogier Windhorst dell’Arizona State University, ha messo a confronto le osservazioni reali con simulazioni avanzate. Il risultato è tecnico, ma dirompente: i modelli basati sulla materia oscura fredda faticano a riprodurre queste forme allungate.

Un montaggio di sei galassie osservate tra 0,85 (z_phot = 6,5) e 3,5 (z_phot=1,9) miliardi di anni dopo il Big Bang. La riga superiore mostra esempi delle galassie filamentose contrassegnate nelle immagini JWST. La riga centrale mostra le simulazioni della materia oscura calda nel 2025 Pozo et al. Nature Astronomy paper di galassie esemplificative che più assomigliano alle galassie effettivamente osservate dal JWST nella riga superiore. La riga inferiore mostra le simulazioni della materia oscura fredda di queste stesse galassie osservate nella riga superiore. Immagini per gentile concessione di Pozo et al.

Materia Oscura: Fredda, Calda o “Ondulatoria”?

Qui entra in gioco l’alternativa che potrebbe riscrivere i manuali di fisica. I ricercatori hanno testato modelli basati su forme alternative di materia oscura:

• Warm Dark Matter (Materia Oscura Calda): basata su particelle come i neutrini sterili.

• Wave Dark Matter (Materia Oscura Ondulatoria o PsiDM): basata su particelle ultraleggere chiamate assioni, previste dalla teoria delle stringhe. oiché le particelle della PsiDM sono così leggere, la loro onda non è microscopica, ma astronomica: può estendersi per anni luce. Questo significa che le particelle non si comportano più come singoli individui, ma si sovrappongono creando un unico stato quantistico collettivo (noto come Condensato di Bose-Einstein) grande quanto una galassia. Inoltre non possono essere racchiuse in spazi stretti per il principio di Indeterminazione di Heisenberg e si rifiuta di “Formare dei grumi”.

Questi modelli alternativi, specialmente quello ondulatorio, prevedono che la materia oscura formi strutture filamentose molto più lisce e continue rispetto ai grumi della materia fredda.

Ecco un confronto rapido per comprendere le differenze:

Come ha spiegato il professor Windhorst, se la materia oscura fosse composta da particelle ultraleggere (assioni), il loro comportamento quantistico impedirebbe la formazione di strutture su piccola scala per un certo periodo, favorendo invece lunghe strutture filamentose. Le stelle e il gas, semplicemente, seguono queste autostrade invisibili, dando vita alle galassie allungate che il Webb ha fotografato.

Come il JWST vede l’invisibile

Una domanda sorge spontanea: se la Materia Oscura è invisibile e non emette luce, come può un telescopio ottico/infrarosso come il JWST aiutarci a identificarla?

La risposta risiede nella gravità, l’unico linguaggio che la materia oscura condivide con quella ordinaria.

1. L’impalcatura invisibile: Immaginate la materia oscura come una rete invisibile o uno scheletro che permea l’universo.

2. La materia ordinaria come tracciante: Il gas (idrogeno) e le stelle sono attratti dalla gravità di questa rete. Si accumulano dove la materia oscura è più densa.

3. La deduzione: Il JWST osserva la forma della materia ordinaria (le galassie luminose). Se le galassie si dispongono in lunghe linee sottili (filamenti) invece che in palle sferiche, significa che l'”impalcatura” sottostante di materia oscura deve avere quella forma specifica.

In sintesi, il telescopio vede la “pelle” luminosa dell’universo, permettendo agli scienziati di dedurre la forma dello “scheletro” oscuro che c’è sotto.

Un tributo alla scienza

Il team di ricerca, che include esperti del MIT, di Harvard e di Taipei, ha dedicato questo lavoro fondamentale alla memoria di George F. Smoot, premio Nobel e pioniere che ha ispirato l’interpretazione degli assioni leggeri.² Smoot, scomparso poco dopo l’accettazione del paper, aveva intuito che per risolvere i misteri del cosmo bisognava guardare oltre la fisica convenzionale, unendo la relatività generale alla meccanica quantistica.

Le future osservazioni spettroscopiche del JWST saranno cruciali. Se confermate, potremmo essere di fronte alla prova che l’universo non è solo più strano di quanto supponiamo, ma più strano di quanto possiamo supporre con gli attuali modelli standard.

Domande e risposte

Perché le galassie allungate sono un problema per la teoria attuale?

Il modello standard della “Materia Oscura Fredda” prevede che la gravità aggreghi la materia in grumi sferoidali o dischi rotanti fin dalle prime fasi. Le osservazioni del JWST mostrano invece galassie lunghe e sottili (“prolate”). Le simulazioni basate sul modello classico non riescono a replicare queste forme in modo coerente, suggerendo che la teoria di base sulla natura della materia oscura potrebbe essere incompleta o errata.

Cos’è la “Wave Dark Matter” e come spiega queste forme?

La “Wave Dark Matter” (Materia Oscura Ondulatoria) ipotizza che la materia oscura sia composta da particelle ultraleggere, come gli assioni, che mostrano comportamenti quantistici su scala macroscopica. Invece di formare grumi, queste particelle creano onde e filamenti lisci. Il gas e le stelle si formano lungo questi filamenti gravitazionali, assumendo naturalmente la forma allungata osservata dal telescopio Webb.

Come fa il JWST a studiare qualcosa che non si vede?

Il JWST non vede direttamente la materia oscura, ma osserva i suoi effetti gravitazionali sulla materia visibile (gas e stelle). La materia oscura funge da impalcatura gravitazionale: dove essa si concentra, lì si accumula la materia ordinaria che si accende formando stelle. Analizzando la distribuzione e la forma delle galassie luminose, gli astronomi possono dedurre la struttura invisibile che le sostiene e le modella.

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