Confermata la galassia senza materia oscura, ecco la spiegazione

Praticamente ovunque guardiamo nell’Universo, gli oggetti su larga scala che vediamo – piccole galassie, grandi galassie, gruppi e ammassi di galassie e persino la grande rete cosmica – non contengono solo materia oscura, ma la richiedono.

Solo in un Universo con una massa molto maggiore di quella che la materia normale può fornire, e in una forma diversa dai protoni, neutroni ed elettroni che si disperdono e interagiscono con se stessi e con la luce, le nostre osservazioni possono essere spiegate.

Tuttavia, una conseguenza interessante dovrebbe sorgere in un Universo con materia oscura: l’esistenza di una piccola ma significativa popolazione di galassie che non contengono alcuna materia oscura.

Per molti anni, queste galassie sono rimaste sconosciute, fornendo munizioni a coloro che si opponevano ideologicamente all’esistenza della materia oscura. Ma nel 2018, un team di ricercatori guidati da Pieter van Dokkum e Shany Danieli ha affermato di aver scoperto la prima: una galassia satellite della grande e vicina NGC 1052.

La galassia, NGC 1052-DF2, è stata oggetto di molti esami e dibattiti, poiché le proprietà di questa galassia potrebbero aiutare a svelare i misteri del lato oscuro dell’Universo. Con una nuova serie di osservazioni di Hubble, non solo abbiamo confermato che questa galassia in effetti non ha materia oscura, ma possiamo finalmente spiegare completamente cosa sta succedendo.

In teoria, c’è circa cinque volte più materia oscura, per massa totale, della materia normale in tutte le sue forme nell’Universo. Quando l’Universo era molto giovane, tutte le forme di materia tentarono di collassare gravitazionalmente, con le regioni troppo dense che attiravano sempre più materia al loro interno.

Nel frattempo, la radiazione fuoriesciva da queste crescenti sovradensità e le maggiori pressioni e densità hanno iniziato a respingere la materia normale in modo diverso rispetto rispetto alla materia oscura. Queste prime fasi dell’Universo forniscono al nostro cosmo quei semi gravitazionali che in seguito si trasformeranno in stelle, galassie e nella struttura su larga scala dell’Universo.

Nel complesso, la materia oscura domina la rete cosmica, mentre la normale materia barionica collassa in volumi molto più piccoli, innescando la formazione stellare e dando origine a sistemi stellari.

Interazioni gravitazionali, collisioni, fusioni e forze di marea hanno tutte il potenziale per separare la materia oscura dalla materia normale, mentre la formazione stellare tende ad espellere la materia normale dalle strutture legate.

In media, le grandi strutture si formano con lo stesso rapporto 5 a 1 tra materia oscura e materia normale del cosmo in generale, ma la maggior parte delle strutture più piccole può vedersi strappata via gran parte della loro materia normale lasciando indietro la materia oscura. Nei casi più estremi, possiamo vedere rapporti tra materia oscura e materia normale di 600 a 1 o anche maggiori.

La materia oscura, in molti modi, funziona come la “colla” che tiene insieme la materia luminosa e stellare in strutture legate gravitazionalmente. Soprattutto dove interagiscono le galassie, dove avviene lo stripping del gas e dove significative forze di marea interrompono strutture altrimenti silenziose, la materia oscura e la materia normale possono essere separate l’una dall’altra.

Le normali strutture della materia dovrebbero esistere, ma solo brevemente. Senza l’influenza gravitazionale della materia oscura che le tiene insieme, queste strutture dovrebbero essere distrutte gravitazionalmente in poche centinaia di milioni di anni, con solo una struttura molto, molto rara che sopravvive al primo miliardo di anni senza materia oscura.

Ecco perché l’annuncio del 2018 delle proprietà di NGC 1052-DF2, in seguito noto come DF2 in breve, è stato un tale shock. I ricercatori, utilizzando un nuovo strumento noto come il telescopio Dragonfly, sono stati in grado di misurare la dispersione della velocità delle stelle all’interno di questa piccola galassia lontana, insieme a una serie di altre proprietà. Quello che hanno trovato è stato affascinante:

• le stelle all’interno di questa galassia, così come gli ammassi globulari che le orbitano attorno, si muovono a soli ~8 km/s, dove una normale quantità di materia oscura produrrebbe un valore più simile a ~30 km/s,
• la galassia stessa è piuttosto distante: circa 64 milioni di anni luce di distanza,
• ma dalle stelle all’interno, possiamo dedurre che non ha più formato stelle da circa 7 miliardi di anni.

Immediatamente, la comunità scientifica si è assunta il compito necessario: cercare di esaminare queste affermazioni nel modo più rigoroso possibile e richiedere prove straordinarie per convalidare questa affermazione eccitante, ma controversa.

Il primo tentativo di abbattere questa scoperta è venuto sotto forma di una sfida alle osservazioni: le dispersioni di velocità misurate – che ci permettono di dedurre le velocità delle stelle all’interno e degli ammassi globulari attorno a questa galassia – erano errate?

Se fosse stato così, allora anche quelle velocità non sono corrette, e forse la materia oscura è presente, dopotutto. Utilizzando uno strumento e un set di dati completamente diversi, una collaborazione rivale ha misurato i singoli ammassi globulari legati a DF2 e, in base ai loro movimenti in linea di vista, ha dedotto una dispersione di velocità che era più del doppio del valore originale. Forse le osservazioni erano errate e questo controllo incrociato con lo strumento MUSE lo avrebbe potuto dimostrare.

Ma non è stato così. Lo strumento MUSE, a quanto pare, non aveva la risoluzione spettrale necessaria per effettuare misurazioni sufficientemente accurate da determinare effettivamente la dispersione della velocità di questi ammassi globulari con la precisione necessaria.

Le misurazioni di follow-up con uno strumento di gran lunga superiore – il Keck Cosmic Web Imager (KCWI) – hanno mostrato che i dati MUSE erano, in effetti, “appianati” a causa della loro risoluzione insufficiente, mentre i dati KCWI hanno mostrato quanto picco e stretto questi spettri le linee sono.

Sia dall’osservazione delle stelle (~8,4 km/s) che degli ammassi globulari (~7,8 km/s), questi ultimi sono circa quattro volte più distanti (e quindi dovrebbero essere più sensibili alla presenza di un alone di materia oscura), sembra che non ci sia alcuna traccia di materia oscura in questa galassia.

Ma potrebbe esserci un’altra spiegazione per queste osservazioni?

A quanto pare, c’era. Una galassia che ha queste linee spettrali a punta stretta potrebbe essere priva di materia oscura se si trovasse alla distanza originariamente dedotta di circa 64 milioni di anni luce, ma potrebbe mostrare le stesse caratteristiche spettrali se possedesse materia oscura ma fosse effettivamente più vicina.

L’unico modo per rompere questa degenerazione sarebbe prendere misurazioni accurate e indipendenti in grado di fissare la distanza di questa galassia, indipendentemente da qualsiasi ipotesi fatta.

Mentre la squadra originale di Danieli e van Dokkum affermava di fare proprio questo e un’altra sfida è nata rapidamente, questa volta da una squadra guidata da Ignacio Trujillo e Mireia Montes.

Utilizzando una varietà di tecniche indipendenti, il team di Trujillo ha affermato che DF2 non è in realtà a 64 milioni di anni luce di distanza ed è un satellite di NGC 1052, ma piuttosto era un satellite di una galassia vicina e vicina, NGC 1042, e si trova molto più vicino: a un distanza di soli 42 milioni di anni luce.

Un secondo metodo sfruttato da entrambi i team, basato sulle fluttuazioni della luminosità della superficie, ha prodotto ancora una volta risposte diverse a seconda di chi stava effettuando l’analisi.

Se la galassia è più vicina, allora è intrinsecamente più debole e c’è meno massa sotto forma di stelle. Dov’è il resto della massa? Forse è lì, dopotutto, sotto forma di materia oscura.

Allora, chi ha ragione?

Galassie senza materia oscura

Una squadra ha affermato di avere la distanza inchiodata a un valore alto con una dispersione a bassa velocità, indicando che non c’è materia oscura all’interno. Un’altra squadra ha affermato di avere la distanza inchiodata a un valore più basso con la stessa dispersione a bassa velocità, indicando che all’interno c’è materia oscura.

Entrambe le parti in questo dibattito hanno indicato non solo i propri dati e metodi, ma anche prove circostanziali a sostegno della loro posizione: l’esistenza di NGC 1052-DF4 (colloquialmente noto come DF4), che sembrava essere una seconda galassia alla stessa distanza con nessuna materia oscura, rispetto alla confusa vicinanza nel cielo sia di NGC 1035 che di NGC 1042, che occupano quasi la stessa linea di vista del più distante NGC 1052.

Ogni volta che c’è una disputa di questa natura, la soluzione migliore non è cavillare su quali dati siano più affidabili, ma piuttosto prendere misurazioni superiori che diano una risposta univoca.

Per definire la distanza da un oggetto come questo, l’opzione migliore è misurare le distanze direttamente con il telescopio spaziale Hubble. Mentre le dispersioni di velocità sono una buona misura da fare, è meglio misurare le proprietà delle singole stelle evolute e luminose. Nello specifico, le stelle sulla punta del ramo della gigante rossa ci consentono di determinare le distanze in modo molto specifico, e questo è il tipo di misurazione che Hubble, unico tra i nostri osservatori, è in grado di effettuare.

Questo è ciò che rende così eccitante l’ultima versione di Hubble e del team di van Dokkum, che ora include Zili Shen insieme a van Dokkum e Danieli. La galassia ultra-diffusa nota come DF2 è stata misurata per avere una distanza, usando questa punta dell’analisi del ramo della gigante rossa con ben 40 orbite di Hubble, fissando la distanza a un valore sorprendentemente alto di 72 milioni di anni luce, con un’incertezza di appena ±4 milioni di anni luce su quel valore.

Questa misurazione precisa dovrebbe risolvere almeno uno dei problemi che circondano questa galassia: è davvero abbastanza distante, il che implica che c’è pochissima materia oscura, e forse anche nessuna materia oscura, presente per tenere insieme questa galassia. Secondo Pieter van Dokkum,

“Siamo andati su un arto con le nostre prime osservazioni Hubble di questa galassia nel 2018. Penso che le persone avessero ragione a metterlo in discussione perché è un risultato così insolito. Sarebbe bello se ci fosse una spiegazione semplice, come una distanza sbagliata. Ma penso che sia più divertente e più interessante se in realtà si rivelasse davvero una galassia insolita“.

Ciò si allinea con le precedenti osservazioni di Hubble di DF4, che hanno utilizzato la punta del ramo della gigante rossa per determinare una distanza di 65 milioni di anni luce (± 5 milioni di anni luce) per quella galassia.

Ora che la distanza da entrambe le galassie è stata stabilita saldamente, insieme alle misurazioni dei moti interni delle stelle e degli ammassi globulari all’interno di questa galassia, rimane la sfida finale: spiegare perché e come esiste questa galassia.

Forse sorprendentemente, una spiegazione convincente diventa evidente se includiamo un altro dato ottenuto da Mireia Montes dalla squadra rivale di Trujillo: la scoperta che DF4 è attualmente in fase di interruzione delle maree.

Se queste piccole galassie diffuse sono relativamente vicine a una (o più) altre galassie massicce, allora le galassie come DF2 e DF4 possono essere separate dall’esterno verso l’interno.

In primo luogo, la periferia della galassia verrà interrotta gravitazionalmente, espellendo i componenti più tenui dell’alone galattico: le regioni esterne dominate dalla materia oscura. Man mano che la galassia perde massa, evolve per diventare più diffusa, poiché le stelle si muovono più lentamente e in orbite meno strettamente legate.

Il fatto che un piccolo flusso di marea sia visto nelle stelle di DF4 potrebbe essere un indizio che queste galassie sono libere solo di materia oscura in questo momento; poco tempo fa avevano molta più materia oscura, mentre tra qualche tempo saranno completamente dilaniate dalla sua mancanza.

Esistono come esistono, oggi, perché le vediamo solo in un’istantanea nel tempo, e possiamo solo vedere la materia luminosa in questo momento. Anche se le ultime osservazioni non mostrano prove per l’interruzione delle maree di DF2 o DF4, questa spiegazione non può essere esclusa.

Dovrebbe essere impossibile per una galassia che non ha materia oscura persistere in un ambiente come questo per circa 7 miliardi di anni, ma l’esistenza di non solo una ma due galassie nane ultra-diffuse che non sembrano possedere materia oscura è certamente “interessante”, come ha detto van Dokkum.

O queste galassie avevano abbondanti quantità di materia oscura e l’hanno persa/sono in procinto di perderla, e sono in uno stato transitorio piuttosto che stabile, o – forse la cosa più curiosa – sta succedendo qualcos’altro.

Quel “qualcos’altro” include l’idea che non c’è materia oscura e che le regole della gravità devono invece essere modificate. L’idea di un effetto di campo esterno suggerisce che queste galassie ultra-diffuse potrebbero possedere le proprietà osservate se vengono influenzate da una galassia vicina, molto più grande e molto più massiccia.

È molto ben misurato che DF2 e DF4 sono separati da circa 7 milioni di anni luce, quindi mentre uno di loro potrebbe essere molto vicino a NGC 1052, non possono esserlo entrambe contemporaneamente.

Tuttavia, c’è una galassia vicina abbastanza grande, NGC 1035, che potrebbe essere vicina a DF4 se NGC 1052 è vicino a DF2. Una misurazione precisa della distanza di NGC 1035 potrebbe offrire supporto per l’effetto del campo esterno della gravità modificata o, in alternativa, potrebbe dimostrare l’insufficienza della gravità modificata e la necessità della materia oscura. Come sempre, solo il tempo e le future osservazioni potranno dirlo.

Sulla base dei migliori dati che abbiamo, tuttavia, possiamo raggiungere una serie di conclusioni incredibili.

Innanzitutto, ci sono due galassie ultra-diffuse che sembrano essere membri satellite di un gruppo massiccio dominato da NGC 1052: DF2 e DF4.

Si trovano rispettivamente a 72 e 65 milioni di anni luce di distanza, come determinato con precisione dalle osservazioni di Hubble. Hanno caratteristiche spettrali molto forti e strette, che indicano i movimenti lenti dei loro contenuti interni: coerenti con l’assenza di materia oscura.

Queste galassie non hanno formato nuove stelle su circa l’ultimo 50% dell’età dell’Universo e potrebbero essere in procinto di essere distrutte dalle interazioni di marea.

Tuttavia, rimangono ancora molte domande che le circondano.

Sono in prossimità di galassie grandi e massicce? Sono in procinto di essere sconvolti dalle maree o sono state in questa configurazione per qualche tempo? Se le riosserveremo tra poche centinaia di milioni di anni, queste galassie persisteranno ancora o le interazioni galattiche le distruggeranno?

Con la scoperta di due galassie che sembrano veramente prive di materia oscura, abbiamo aperto una finestra ai prossimi passi nella nostra comprensione astronomica dell’Universo. Poiché la prossima generazione di telescopi aprirà una nuova serie di occhi sull’Universo, forse saranno le galassie prive di materia oscura a puntare finalmente verso una soluzione a questo enigma cosmico di lunga data.