Il "lato oscuro" dell'universo - Marco Bersanelli Dipartimento di Fisica - Gran Sasso Science Institute - L'Aquila - 25-26 Ottobre 2018 - Indico
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Gran Sasso Science Institute - L'Aquila – 25-26 Ottobre 2018
Nuovi orizzonti di una scienza in divenire
Il “lato oscuro” dell’universo
Marco Bersanelli
Dipartimento di Fisica
Università degli Studi di Milano
Non sempre la luce è un buon tracciante della materia
Materia celeste invisibile?
un’idea antica
Materia celeste invisibile?
un’idea antica
Primo mobile
Stelle
Sole
Mercurio Venere
Luna
Marte Terra
Giove
Saturno
Sfere celesti:
Materia perfettamente
trasparente, «cristallina»
Sistema Tolemaico
(150 ca.)
E oggi?
GAIA (ESA, 2018)
1.7 miliardi di stelle della Via Lattea
25 April 2018
N > 1.7 x 109 stars
Survey: July 2014 - May 2016
22 months observations
Final catalogue: 2022
M31 - Andromeda Ottico (HST)
Non solo stelle
Le Galassie a spirale contengono notevoli quantità di
gas e polvere interstellare
M Gas ≈ 4 ÷ 20% M Tot
M31 - Andromeda
M Dust < 1% M Gas
Far-IR (Hershel)
Come misurare la massa totale? Effetti gravitazionali
m
mM (r ) v(r ) 2
r G 2
=m
r r
M (r ) r 2
M (r ) = v (r )
G
Se la massa è tutta al centro, M(r) rimane costante al crescere di r
Andamento «kepleriano»
GM
v (r ) =
2
v(r ) ∝ r −1/2 Atteso della curva di
rotazione ai bordi della
r galassia (luminosità0)
2π r r 1 r2
Periodo di rivoluzione: =
P ∝ v ∝ ∝ 2
2
r 3 ∝ P2
v v r P III Legge di Keplero
Come misurare la massa totale? Effetti gravitazionali
Misura della rotazione delle galassie
Red-shift a spirale
Osservazioni più accurate con spirali
viste di taglio
Sfruttiamo l’effetto Doppler
∆λ vR
=
λ c
- Nell’ottico (riga H-alpha)
Blue-shift - Nel radio (riga a 21 cm)
permette di esplorare regioni più esterne
NGC 891Prime misure di curve di rotazione
Vera Rubin (1970-75) misura la
rotazione di un campione di galassie
Red
λ1
λ
λ2
Avvicinamento Blue
Allontanamento
∆λ La velocità di rotazione si mantiene
(r ) → v(r ) costante fino ai limiti osservabili,
λ ben oltre la regione luminosa delle galassieMisure attuali: La materia luminosa (più gas e polvere) è solo il 10-15% della massa totale
Ammassi di galassie
N. di galassie: 50-1000
Massa: 2×1014 - 5×1015 Ms
Dimensioni: 1-10 Mpc
Sono i più grandi sistemi legati
gravitazionalmente
Il «tempo di attraversamento» è
minore dell’età dell’universo
D
tcross= < tU
v
Sono sistemi legati
Teorema del viriale Stima della massa
La dispersione delle velocità interne è
una misura della massa totale
5 σ 2 ( vR ) D
Coma cluster M=
SDSS(visibile, blu)
+ Spitzer (IR, verde, rosso) GZwicky (1933)
Stima della massa dell’ammasso di Coma utilizzando il teorema del viriale.
M M
≈ (100 ÷ 400)
Cluster
L L
C’è molta più massa di quella dovuta alle galassie
Le galassie costituiscono al più il 10-15% della massa totale dell’ammasso.GAS INTRACLUSTER (ICM)
Riempie lo spazio tra le galassie dell’ammasso
Visibile Coma cluster Banda X
• Temperatura: ~107 to 108 K ICM in equilibrio idrostatico
• Densità: ~10-3 to 10-4 cm-3 Stima della massa del gas
• Massa del gas intracluster:
Non sufficiente per spiegare
M Gas ≈ 2 × M Galaxies l’eccesso di massa viriale!Lensing gravitazionale
Previsione della Relatività Generale (1916)
Il gradiente del campo gravitazionale curva lo spazio
La luce segue tale curvatura
α
4GM
b α=
c 2b
M Altro metodo indipendente
per misurare la massa totale
Gravitational lensing (Simulation)Fondo Cosmico di Microonde (CMB)
Superficie di ultima
diffusione
t ~ 3.8 x 105 yr
T ~ 3000 K
QUI E ORA
t ~ 13.8 x 109 yr
T = 2.725 K
BIG BANG
t0
T∞Full mission data
Planck Collaboration 2018
arXiv:1807.06205v1 [astro-ph.CO] 17 Jul 2018Full mission data
Planck Collaboration 2018
Planck data (2018)
6-parameters model
Light
0.01%
Dark
Energy
68.5% Dark
Matter
26.6%
Baryonic
Matter
4.9%
arXiv:1807.06205v1 [astro-ph.CO] 17 Jul 2018Type 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 totaleFull mission data Planck Collaboration 2018
Full mission data
Planck Collaboration 2018
arXiv:1807.06205v1 [astro-ph.CO] 17 Jul 2018Euclid ESA
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!Puoi anche leggere
