Il lato oscuro dell universo

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1 Gran Sasso Science Institute - L'Aquila Ottobre 2018 Nuovi orizzonti di una scienza in divenire Il lato oscuro dell universo Marco Bersanelli Dipartimento di Fisica Università degli Studi di Milano

2 Non sempre la luce è un buon tracciante della materia

3 Materia celeste invisibile? un idea antica

4 Materia celeste invisibile? un idea antica Primo mobile Stelle Sole Mercurio Venere Marte Luna Terra Giove Saturno Sistema Tolemaico (150 ca.) Sfere celesti: Materia perfettamente trasparente, «cristallina»

5 E oggi?

6 GAIA (ESA, 2018) 1.7 miliardi di stelle della Via Lattea 25 April 2018 N > 1.7 x 10 9 stars Survey: July May months observations Final catalogue: 2022

7 M31 - Andromeda Ottico (HST)

8 Non solo stelle Le Galassie a spirale contengono notevoli quantità di gas e polvere interstellare M31 - Andromeda Far-IR (Hershel) M M Gas Dust 4 20% M < 1% M Gas Tot

9 Come misurare la massa totale? Effetti gravitazionali r m G mm () r v() r = m 2 r r 2 M() r r M r = v r G 2 () () Se la massa è tutta al centro, M(r) rimane costante al crescere di r v 2 () r = GM r vr () 1/2 r Andamento «kepleriano» Atteso della curva di rotazione ai bordi della galassia (luminosità 0) Periodo di rivoluzione: P 2π r r = v v v 2 1 r r P 2 2 r P 3 2 III Legge di Keplero

10 Come misurare la massa totale? Effetti gravitazionali Red-shift Misura della rotazione delle galassie a spirale Osservazioni più accurate con spirali viste di taglio Sfruttiamo l effetto Doppler λ = λ v R c Blue-shift - Nell ottico (riga H-alpha) - Nel radio (riga a 21 cm) permette di esplorare regioni più esterne NGC 891

11 Prime misure di curve di rotazione Vera Rubin ( ) misura la rotazione di un campione di galassie Red λ 1 λ λ 2 Avvicinamento Allontanamento λ () r vr () λ Blue La velocità di rotazione si mantiene costante fino ai limiti osservabili, ben oltre la regione luminosa delle galassie

12 Misure attuali: La materia luminosa (più gas e polvere) è solo il 10-15% della massa totale

13 Ammassi di galassie N. di galassie: Massa: Ms Dimensioni: 1-10 Mpc Sono i più grandi sistemi legati gravitazionalmente Il «tempo di attraversamento» è minore dell età dell universo t cross D = < t v Sono sistemi legati Teorema del viriale Stima della massa La dispersione delle velocità interne è una misura della massa totale U Coma cluster SDSS(visibile, blu) + Spitzer (IR, verde, rosso) M = 2 5 σ ( vr ) G D

14 Zwicky (1933) Stima della massa dell ammasso di Coma utilizzando il teorema del viriale. M M ( ) L Cluster L C è molta più massa di quella dovuta alle galassie Le galassie costituiscono al più il 10-15% della massa totale dell ammasso.

15 GAS INTRACLUSTER (ICM) Riempie lo spazio tra le galassie dell ammasso Visibile Coma cluster Banda X Temperatura: ~10 7 to 10 8 K Densità: ~10-3 to 10-4 cm -3 Massa del gas intracluster: M Gas 2 M Galaxies ICM in equilibrio idrostatico Stima della massa del gas Non sufficiente per spiegare l eccesso di massa viriale!

16 Lensing gravitazionale Previsione della Relatività Generale (1916) α M b Il gradiente del campo gravitazionale curva lo spazio La luce segue tale curvatura α = 4GM 2 cb Altro metodo indipendente per misurare la massa totale Gravitational lensing (Simulation)

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19 Fondo Cosmico di Microonde (CMB) Superficie di ultima diffusione t ~ 3.8 x 10 5 yr T ~ 3000 K QUI E ORA t ~ 13.8 x 10 9 yr T = K BIG BANG t 0 T

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21 Full mission data Planck Collaboration 2018 arxiv: v1 [astro-ph.co] 17 Jul 2018

22 Full mission data Planck Collaboration 2018 Planck data (2018) 6-parameters model Dark Energy 68.5% Light 0.01% Dark Matter 26.6% Baryonic Matter 4.9% arxiv: v1 [astro-ph.co] 17 Jul 2018

23 Type Ia supernovae Perlmutter S, et al., Astrophys.J., 517, 565 (1999) P.M. Garnevitch et al., Astrophys.J., 493, 53 (1998) Accelerazione dell espansione cosmica «Dark Energy» contribuisce il 70% dell energia totale

24 Full mission data Planck Collaboration 2018

25 Full mission data Planck Collaboration 2018 arxiv: v1 [astro-ph.co] 17 Jul 2018

26 Euclid ESA

27 Lato «oscuro» dell universo? No, «cristallino»! «Materia oscura» - Presente su diverse scale - Galassie, ammassi di galassie, cosmica (primordiale) - Forma non-barionica, che interagisce debolmente - Contribuisce l 85% della materia, 27% del totale - Nessuna traccia rivelata con LHC - Vari esperimenti in corso al Gran Sasso «Energia oscura» - Scoperta grazie a misure di supernovae lontane - Confermta dalle misure CMB - Contiene il 69% della densità attuale di energia Modello standard - Riproduce con straordinaria precisione le osservazioni - Ma non conosciamo il 95% dell universo!