Nuove simulazioni galattiche restringono la caccia alla materia oscura

Gli astronomi sono da tempo affascinati dalla possibilità che i flussi stellari, Bande stelle erranti chiamate “flussi stellari” che orbitano attorno alla Via Lattea, possano rivelare indirettamente la presenza di materia oscura, quella misteriosa sostanza teorizzata che non interagisce con la luce o la materia normale, se non tramite gravità.

 

 

La maggior parte delle stelle della nostra galassia della Via Lattea si trova ordinatamente su un piano piatto. Ma lo spazio intorno alla nostra galassia è molto più caotico.

Bande stelle erranti chiamate “flussi stellari” orbitano attorno alla Via Lattea proprio come i pianeti del nostro sistema solare orbitano attorno al Sole.

Gli astronomi sono da tempo affascinati dalla possibilità che i flussi stellari possano rivelare indirettamente la presenza di materia oscura, quella misteriosa sostanza teorizzata che non interagisce con la luce o la materia normale — se non tramite gravità.

Tuttavia, un nuovo studio dell’Università di Washington mette in dubbio una teoria fondamentale che collega la materia oscura ai flussi stellari, e solleva nuove domande su entrambi i fenomeni galattici.

“La materia oscura costituisce la maggior parte della massa nell’universo e costituisce l’impalcatura su cui crescono le galassie, ma ancora non sappiamo cosa sia”, ha detto la coautrice Nora Shipp, professoressa assistente di astronomia all’Università del Washington.

“La Via Lattea è uno dei migliori laboratori che abbiamo per capirlo, e i corsi stellari sono uno degli strumenti più affilati al suo interno.”

Lo studio è stato pubblicato il 27 agosto su The Astrophysical Journal.

Un flusso stellare si forma quando un gruppo di stelle si schianta contro una galassia e rimane intrappolata dalla sua gravità.

Mentre le stelle orbitano attorno alla galassia, la sua gravità allunga l’ammasso in un lungo e sottile filamento di stelle.

La maggior parte delle galassie ospita flussi stellari, anche se la Via Lattea è la più visibile agli astronomi.

Nella nostra galassia, la maggior parte dei flussi stellari che vediamo sono irregolari — spazi e curve interrompono una sfumatura altrimenti uniforme di stelle.

Molti astronomi credono che queste irregolarità possano segnalare la trazione gravitazionale da piccoli ammassamenti di materia oscura, chiamati subaloni.

Se davvero ci sono dei subaloni sparsi per tutta la galassia, studiare le aberrazioni nei flussi stellari potrebbe insegnarci sulla composizione della materia oscura.

Il nuovo studio è stato uno sforzo per comprendere il ruolo che la galassia ospite — piuttosto che gli aggregati di materia oscura al suo interno — ha nel plasmare i flussi stellari.

Gli astronomi hanno simulato quattro galassie delle dimensioni della Via Lattea senza alcun grumo di materia oscura, poi le hanno punteggiate con circa 15.000 flussi stellari. Dopo cinque miliardi di anni simulati, il team ha osservato irregolarità in quasi ogni flusso stellare.

“Nelle nostre simulazioni, le galassie ospiti da sole hanno causato gli stessi tipi di irregolarità che osserviamo nei flussi stellari reali”, ha detto l’autore principale Arpit Arora, ricercatore post-dottorato in astronomia all’Università del Washington.

“Ora che possiamo prevedere cosa fa la galassia ospite da sola, possiamo iniziare a isolare la parte di cui la materia oscura è responsabile.”

La causa delle irregolarità era la struttura delle galassie stesse. In ogni galassia simulata, le stelle erano distribuite in modo piuttosto disomogeneo nel disco, creando aree di densità maggiore e minore per imitare la composizione di una galassia reale come la nostra.

Mentre i flussi simulati di stelle attraversavano regioni più dense dello spazio, venivano piegati e strappati dal paesaggio gravitazionale irregolare.

Arora si aspettava che le galassie ospiti trasmettessero qualche irregolarità ai flusso, ma il numero lo colse di sorpresa.

“Abbiamo scoperto che quasi tutti i ruscelli avevano qualche tipo di variazione strutturale. Quindi questa idea che i ruscelli siano naturalmente sottili e lisci non era necessariamente vera.”

La simulazione generava ondulazioni, pieghe, speroni, rami, spazi e grumi; alcuni flussi furono completamente smembrati dalla schiuma gravitazionale delle galassie ospiti.

I flussi orbitanti più vicino al nucleo galattico venivano lanciati più spesso in regioni dense e grumosse dello spazio, dove acquisivano più irregolarità.

Dei 15.000 flussi distribuiti nelle quattro galassie ospiti, solo 70 sono rimasti perfettamente lisci dopo cinque miliardi di anni.

I risultati possono sembrare scoraggianti, ma il team dell’UW ritiene di tracciare un percorso chiaro ed entusiasmante per il futuro della ricerca sulla materia oscura.

Arora vuole includere gli agglomerati di materia oscura nella prossima simulazione per vedere se producono irregolarità dei flussi stellari distinte da quelle causate dalla sola galassia ospite.

Potrebbero esserci anche opportunità per confrontare simulazioni con nuove osservazioni: il Simonyi Survey Telescope presso il NSF-DOE Vera C. Rubin Observatory dovrebbe trovare molti altri flussi stellari all’interno della nostra galassia, il che aiuterà gli astronomi a costruire una tassonomia delle caratteristiche dei flussi e — si spera — a scoprire impronte digitali di materia oscura.

“Purtroppo non esiste una bacchetta magica che possa rivelare la struttura della materia oscura”, ha detto James Davenport, professore assistente di astronomia all’Università del Washington. “I flussi sono sistemi complessi, ma restano comunque il modo più interessante per studiare la materia oscura vicino a casa.”

 

Visualization by Arpit Arora and Adrian Price-Whelan. Milky Way image credit: Stefan Payne-Wardenaar.