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Il ‘complotto’ della materia scura

Un gruppo internazionale di astronomi guidati da Michele Cappellari dell’Università di Oxford ha utilizzato i dati del telescopio di 10m del Keck Observatory situato nelle Hawaii per analizzare i moti delle stelle nelle regioni più esterne delle galassie ellittiche, nella prima di una serie di survey allo scopo di osservare un numero sempre più grande di questa classe di oggetti. I ricercatori hanno scoperto, sorprendentemente, alcune similitudini di tipo gravitazionale tra le galassie a spirali e le ellittiche, il che implica l’influenza di forze “nascoste”. I risultati di questo studio su Astrophysical Journal Letters.

Gli scienziati hanno utilizzato il potente spettrografo DEIMOS installato al telescopio ottico più grande del mondo per condurre una survey del cielo delle galassie vicine, detta SLUGGS, che ha lo scopo di misurare le velocità delle stelle. Gli scienziati hanno poi applicato la legge della gravitazione universale di Newton per “tradurre” queste velocità in termini della distribuzione della materia nelle galassie. “Lo spettrografo DEIMOS è stato cruciale per questa scoperta dato che è in grado di prendere dati da un’intera galassia alla volta e allo stesso tempo di campionare le velocità di un centinaio di stelle che si trovano su differenti posizioni e con una buona accuratezza”, spiega Aaron Romanowsky, della San Jose State University e co-autore dello studio. Una delle scoperte scientifiche più importanti del 20° secolo ci ha permesso di capire come le spettacolari galassie a spirale, come la nostra Via Lattea, ruotino molto più velocemente di quanto ci si aspetta, un risultato che implica l’esistenza di una ulteriore forza dovuta all’esistenza di una materia scura invisibile.

La velocità delle stelle su orbite circolari sono state misurate attorno alle galassie a spirale e a quelle ellittiche. Senza materia scura, le velocità delle stelle dovrebbero diminuire con la distanza dal centro della galassia, in maniera differente per entrambi i tipi di galassie. Invece, la materia scura appare tramare per mantenere stabile la velocità delle stelle. Credit: M. Cappellari/SDSS

Da circa 40 anni, abbiamo imparato che questa misteriosa componente dell’Universo, forse costituita da una particella elementare esotica, costituisce l’85 percento circa della massa presente nello spazio, lasciando solamente il 15 percento alla materia ordinaria che fa parte della nostra esperienza quotidiana. La materia scura è di fondamentale importanza per la formazione e l’evoluzione delle galassie e, in ultima analisi, rappresenta una delle ragioni per cui la vita esiste sulla Terra, anche se non sappiamo ancora nulla sulla sua natura. “La scoperta sorprendente che emerge dal nostro lavoro riguarda il fatto che le galassie ellittiche mantengono una velocità circolare alquanto costante fino alle regioni più esterne, allo stesso modo con cui avviene nel caso delle galassie a spirale”, dice Cappellari. “Ciò vuol dire che in queste galassie ellittiche, le stelle e la materia oscura ‘tramano’ tra loro per ridistribuirsi in modo tale da produrre questo effetto, in cui le stelle dominano nelle regioni più interne delle galassie mentre la materia scura domina verso le regioni più esterne”. Ad ogni modo, questa “trama cosmica” non emerge in maniera naturale dai modelli della materia scura, perciò è necessario introdurre un qualche tipo di “ritocco” per spiegare le osservazioni. Per questo motivo, questa sorta di “complotto” tra materia ordinaria (stelle) e materia scura ha portato qualche autore a suggerire il fatto che la causa di ciò non sia riconducibile alla materia scura ma, forse, è la legge della gravità di Newton che comincia a diventare meno accurata su grandi distanze. Oggi, dopo ancora qualche decennio, questa ipotesi alternativa, cioè senza materia scura, non viene esclusa del tutto (vedasi teorie MOND). Le galassie a spirale costituiscono solamente meno della metà di tutta la massa stellare presente nell’Universo, che è dominata dalle galassie ellittiche e lenticolari, che hanno delle configurazioni stellari più “paffute” e dove non esiste la struttura a disco di gas tipico delle spirali. Finora, è stato molto difficile misurare tecnicamente la massa di queste galassie e determinare quanta materia scura esiste e come è distribuita. Dato che le galassie ellittiche hanno forme e storie evolutive differenti rispetto alle spirali, questo “complotto cosmico” è ancora più profondo e porterà gli esperti del campo a pensare in maniera più rigorosa a ciò che è accaduto al cosiddetto “settore scuro” dell’Universo (post). “Questo problema è particolarmente prioritario dato che i fisici del CERN tenteranno di rivelare direttamente col prossimo Run 2 di LHC la stessa particella elusiva di materia scura che fa ruotare velocemente le galassie, se davvero esiste”, conclude Jean Brodie, investigatore principale della survey SLUGGS.

Keck Observatory: The Dark Matter Conspiracy
arXiv: Small scatter and nearly-isothermal mass profiles to four half-light radii from two-dimensional stellar dynamics of early-type galaxies