Un crescente catalogo di galassie enormi ma oscure come Dragonfly 44 sta costringendo gli astronomi a inventare nuove teorie sull’evoluzione galattica.
Nel 2016, gli astronomi guidati da Pieter van Dokkum dell’Università di Yale, hanno pubblicato un documento che affermava la scoperta di una galassia così debole, ma così ampia e pesante, che deve essere quasi del tutto invisibile.
Hanno stimato che la galassia, soprannominata Dragonfly 44, è costituita per il 99,99% da materia oscura.
Ne è seguito un acceso dibattito sulle proprietà di Dragonfly 44 che a tutt’oggi rimane irrisolto. Nel frattempo, sono emerse più di 1.000 galassie altrettanto grandi ma deboli.
Dragonfly 44 e i suoi simili sono note come galassie ultra diffuse (UDG). Sebbene possano essere grandi quanto le più grandi galassie ordinarie, gli UDG sono eccezionalmente deboli, così deboli che, nelle indagini del cielo con i telescopi, “è un compito arduo filtrare il rumore senza filtrare accidentalmente queste galassie”, ha affermato Paul Bennet, un astronomo presso lo Space Telescope Science Institute di Baltimora. Il brillante gas di formazione stellare che è abbondante in altre galassie sembra essere assente nelle UDG, lasciando solo uno scheletro di stelle anziane.
La loro esistenza ha suscitato scalpore nella teoria evoluzionistica galattica
Sono emerse nuove teorie per spiegare come sono nate Dragonfly 44 e altre UDG. E queste gigantesche macchie di luce potrebbero fornire nuove prove della mano invisibile della materia oscura.
Troppa materia oscura
Quando la gravità riunisce ammassi di gas e stelle, le loro energie e quantità di moto combinate fanno sì che il mashup si gonfi e ruoti, e alla fine emerge una galassia.
C’è solo un problema. Quando le galassie ruotano, dovrebbero separarsi. Non sembrano avere abbastanza massa – e quindi gravità – per stare insieme. Il concetto di materia oscura è stato inventato per fornire la gravità mancante. In questa immagine, una galassia si trova all’interno di un agglomerato più ampio di particelle non luminose. Questo “alone” di materia oscura tiene insieme la galassia rotante.
Un modo per stimare la velocità di rotazione di una galassia, e quindi il suo contenuto di materia oscura, è contare i suoi ammassi sferici di stelle. “Non sappiamo precisamente il perché, da un punto di vista teorico”, ha detto Bennet, ma il numero di questi “ammassi globulari” è strettamente correlato a quelle proprietà più difficili da misurare. Nel documento del 2016, van Dokkum ha contato 94 ammassi globulari all’interno di Dragonfly 44, un numero che implicava un alone di materia oscura straordinariamente grande, nonostante la poca materia visibile della galassia.
Nessuno aveva mai visto niente del genere. Van Dokkum e i sui colleghi hanno suggerito che Dragonfly 44 potrebbe essere una “Via Lattea fallita”: una galassia con un alone di materia oscura delle dimensioni della Via Lattea che ha subito un evento misterioso all’inizio che l’ha privata del suo gas di formazione stellare, lasciandola con nient’altro che stelle che invecchiano e un’aureola gigante.
O nessuna materia oscura
La misteriosa galassia ha attirato l’interesse anche di un altro gruppo di astronomi che sostengono che la materia oscura non esiste affatto. Questi ricercatori spiegano la gravità mancante delle galassie modificando invece la legge di gravità di Newton, un approccio chiamato dinamica newtoniana modificata, o MOND.
Secondo la teoria MOND, la forza gravitazionale modificata per ogni galassia è calcolata dal rapporto massa/luce delle sue stelle, la loro massa totale divisa per la loro luminosità. I teorici di MOND non ipotizzano perché la forza dipenda da questo rapporto, ma la loro formula ad hoc corrisponde alle velocità osservate della maggior parte delle galassie, senza la necessità di invocare la materia oscura.
Quando sono arrivate le notizie su Dragonfly 44, il sostenitore del MOND Stacy McGaugh, un astronomo della Case Western Reserve University, ha calcolato dal suo rapporto massa-luce che dovrebbe ruotare più lentamente di quanto indicato dalla stima iniziale di van Dokkum.
Il calcolo MOND non sembrava adattarsi ai dati.
Tuttavia nel 2019, il gruppo di van Dokkum ha ricalcolato la velocità di rotazione di Dragonfly 44 utilizzando dati migliorati. “Dragonfly 44 è un esempio di come questi dati si evolvono per concordare con MOND”, ha dichiarato McGaugh.
Per la maggior parte degli astronomi, che credono nella materia oscura, la minore velocità di rotazione implicava semplicemente che l’alone di Dragonfly 44 fosse più piccolo di quanto pensassero. Nel 2020, un gruppo indipendente di astronomi ha ulteriormente ridimensionato l’alone contando un numero notevolmente inferiore di ammassi globulari, ma van Dokkum ha contestato questo risultato. Sebbene le dimensioni dell’alone rimangano incerte, potrebbe essere meno massiccio di quanto inizialmente supposto, suggerendo che Dragonfly 44 non è dopo tutto una “Via Lattea fallita”.
Grande Vecchia Galassia
Una stranezza appena scoperta ha aggravato il mistero.
In un articolo pubblicato ad agosto, il gruppo di van Dokkum ha scoperto che Dragonfly 44 è estremamente antica, essendosi formata tra i 10 e 13 miliardi di anni fa.
Ma una galassia così vecchia non dovrebbe essere grande come Dragonfly 44. Gli oggetti del primo universo tendono ad essere più compatti poiché si sono formati prima della rapida espansione dell’universo.
Inoltre, una galassia così vecchia e logora dovrebbe essere ormai completamente distrutta, il che implica che Dragonfly 44 dopo tutto potrebbe avere forte alone di materia oscura, ripristinando potenzialmente l’ipotesi della “Via Lattea fallita”.
Un’altra spiegazione, l’ipotesi dello “spin alto”, postula che due piccole galassie si siano fuse mentre ruotavano nella stessa direzione, in modo tale che la galassia risultante, Dragonfly 44, abbia acquisito il momento angolare di entrambe. Ciò potrebbe averla fatta ruotare più velocemente, gonfiandola e facendo esplodere il suo materiale per creare le stelle.
UDG incredibilmente diversificate
Durante lo studio di Dragonfly 44, gli astronomi hanno anche catalogato una vasta e diversificata collezione di altre galassie ultra-diffuse. I risultati li stanno costringendo a concludere che le galassie si formano in più modi di quanto sapessero.
Alcune nuove UDG sembrano mancare completamente di materia oscura. Il gruppo di Van Dokkum ha identificato una di queste galassie nel 2018, quindi ha individuato una scia di altre galassie nelle vicinanze. Il team ha ipotizzato che la scia si sia formata in una collisione di due galassie avvenuta molto tempo fa. La collisione ha rallentato il flusso del gas delle galassie, ma la loro materia oscura è andata avanti come se nulla fosse accaduto. Il gas si è poi compresso in gruppi di stelle, formando infine una serie di galassie prive di materia oscura.
Nel frattempo, Bennet nel 2018 ha scoperto due UDG che indicano una diversa teoria sulla formazione. In ogni caso, le forze di marea di una pesante galassia vicina sembrano aver squarciato l’UDG, gonfiandola e rubandone il gas. (Questo non può spiegare Dragonfly 44, che si trova troppo lontano dalle galassie pesanti).
Stranamente, un articolo di settembre ha riportato la recente formazione stellare in una UDG, contraddicendo l’idea che ospitano solo vecchie stelle.
Una tale gamma di UDG che sembrano uguali all’esterno ma differiscono internamente può convalidare la teoria della materia oscura su MOND. “Se le stelle si muovono molto velocemente in una galassia e molto lentamente nell’altra, questo è un grosso problema per quelle teorie alternative”, ha detto van Dokkum.
McGaugh ha convenuto che se ci sono “autentici valori anomali” tra la popolazione UDG, “questo è davvero un problema per MOND”. Tuttavia, ha aggiunto, “ciò non rende automaticamente la materia oscura un’interpretazione migliore”.
Le risposte definitive richiederanno nuovi telescopi. Il telescopio spaziale James Webb, recentemente operativo, ha già individuato galassie lontane come apparivano quando si stavano formando nell’universo primordiale, il che aiuterà a testare e perfezionare le idee nascenti.
“Il grande vantaggio è che ancora non sappiamo cosa c’è là fuori”, ha dichiarato Van Dokkum. “Ci sono galassie che non abbiamo scoperto che sono molto grandi, molto vicine e hanno proprietà insolite, e non sono nei nostri attuali cataloghi anche dopo tutti questi decenni di studio del cielo”, ha concluso.
Fonte: arxiv
