LO STUDIO PUBBLICATO SU THE ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS

Il mistero della materia oscura mancante

Nuove misure di distanza della galassia sferoidale diffusa Ngc 1052-Df2 collocano questa galassia alla distanza di ben 72 milioni di anni luce e confermano che la galassia è praticamente priva di materia oscura, un caso molto raro nel panorama delle galassie. Questa assenza della materia oscura rispetto ad altre galassie suggerisce che la materia oscura esiste come entità fisica reale e non come risultato di una diversa legge della gravitazione su scala galattica

     22/06/2021
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Secondo il paradigma corrente la materia oscura costituisce circa l’86% di tutta la materia del nostro Universo. La sua particolarità è che non interagisce per via elettromagnetica come la materia ordinaria, ma solo per via gravitazionale. Per questo motivo è difficile studiarla, in effetti può essere rilevata solo su grande scala osservando gli effetti gravitazionali che provoca sulla materia ordinaria: purtroppo manca la detection sperimentale delle particelle di materia oscura. La presenza di questa materia è stata dedotta grazie agli studi sulle curve di velocità della galassie a spirale: mano a mano che ci si allontana dal nucleo di una galassia, le stelle non diminuiscono la propria velocità come ci si potrebbe aspettare, ma continuano a muoversi velocemente. Se vale la legge di gravità di Newton, questo eccesso di velocità indica che la maggior parte della massa delle galassie è costituita da materia invisibile in grado di tenere legate, con la propria forza di gravità, le stelle di cui sono composte: diversamente le galassie si sfalderebbero. La materia oscura nell’evoluzione dell’Universo è molto importante perché è proprio grazie ai suoi intensi effetti gravitazionali che, all’interno di immensi aloni di materia oscura, si sono formate le galassie. Diversamente, dopo il Big Bang la materia ordinaria non avrebbe mai subito alcun processo di collasso gravitazionale e le galassie non si sarebbero formate. Da questo quadro teorico ci si aspetta che ogni galassia contenga una consistente quantità di materia oscura: ad esempio il valore del rapporto medio fra materia oscura e ordinaria, misurato per galassie come la nostra Via Lattea, è dell’ordine di 30 volte e aumenta sia per galassie più massicce, sia per galassie meno massicce.

La galassia povera di materia oscura Ngc 1052-Df2 ripresa con la Hubble Advanced Camera for Surveys fra il dicembre 2020 e il marzo 2021. La galassia è talmente povera di materia che, attraverso essa, si possono vedere le galassie di fondo (Crediti: Nasa, Esa, STScI, Zili Shen (Yale), Pieter van Dokkum (Yale), Shany Danieli (Ias), Alyssa Pagan (STScI)).

Tuttavia le cose sembrano più complesse di così, almeno per quanto riguarda la galassia Ngc 1052-Df2.  Si tratta di una galassia ultra diffusa a bassa luminosità superficiale che si trova prospetticamente nella costellazione della Balena, identificata grazie a una survey a grande campo del gruppo di galassie di Ngc 1052. La galassia contiene così poca materia ordinaria che è praticamente trasparente, tanto è vero che nelle immagini che la ritraggono si possono vedere le galassie di fondo molto più lontane. Dal punto di vista morfologico, questa galassia ha un aspetto sferoidale e non sembra avere un nucleo, bracci a spirale o un disco di stelle. Le dimensioni geometriche sono simili a quelle della Via Lattea.

In un articolo del marzo 2018 comparso su Nature, venivano pubblicati i risultati delle misure di velocità radiale di 10 ammassi globulari luminosi appartenenti a questa evanescente galassia per la stima della massa totale del sistema. Il risultato era che il rapporto fra la materia oscura e quella luminosa in Ngc 1052-Df2 era circa 1, una valore circa 400 volte più basso di quello atteso e in netto contrasto con quanto si osserva nelle altre galassie.  In parole povere il caso di NGC1052-DF2 dimostrava che la materia oscura non è sempre accoppiata con la materia barionica, almeno su scala galattica. Per confermare questo incredibile risultato, il team della scoperta, guidato da Pieter van Dokkum della Yale University, si è concentrato sulla misura precisa della distanza di Ngc 1052-Df2, pubblicando un nuovo paper sul The Astrophysical Journal Letters. Nel lavoro del 2018 la distanza della galassia era stata assunta simile a quella del gruppo di galassie cui sembrava appartenere ossia quello di Ngc 1052 a circa 65 milioni di anni luce da noi. Come entra la distanza nella stima del rapporto fra materia oscura e ordinaria? Per capirlo basta pensare al fatto che la stima della massa di una stella si può fare misurando la sua luminosità intrinseca e questa si ottiene misurando sia la luminosità apparente, sia la distanza a cui si trova la stella. Scalando questo ragionamento su scala galattica si capisce che se Df2 fosse più vicino alla Terra rispetto ai 65 milioni di anni luce adottati, allora le sue stelle sarebbero intrinsecamente più deboli e meno massicce, quindi la materia luminosa darebbe un minor contributo alla massa totale (che si misura con la velocità radiale degli ammassi globulari) e il rapporto fra materia oscura e luminosa salirebbe di conseguenza. La misura della distanza diventa quindi un parametro cruciale per determinare la quantità di materia luminosa della galassia.

Per misurare la distanza di una galassia servono delle “candele standard“, ossia stelle di cui si conosca a priori la luminosità intrinseca. Il team di astronomi, usando il telescopio spaziale “Hubble” si è concentrato sulla misura della luminosità apparente delle giganti rosse che si trovano alla periferia di Ngc 1052-Df2 e che, durante la loro evoluzione, raggiungono tutte lo stesso picco di luminosità. In questo modo si può utilizzare la differenza fra luminosità intrinseca e apparente per misurare le grandi distanze intergalattiche. La nuova stima della distanza ci dice che Df2 si trova a ben 72 milioni di anni luce ossia la galassia è più distante rispetto alla stima originale di 65 milioni di anni luce. Da qui discende che Df2 è davvero priva di materia oscura, non si tratta di un bias osservativo.

Peraltro Df2 non è l’unica galassia priva di materia oscura: anche un’altra galassia, Ngc 1052-Df4, è priva di materia oscura. In questo caso, tuttavia, alcuni scienziati suggeriscono che la materia oscura potrebbe essere stata rimossa dalla galassia a causa delle forze di marea esercitate da un’altra galassia di passaggio.

La scoperta di queste galassie prive di materia oscura, paradossalmente, conferma che la materia oscura esiste davvero. Infatti se la materia oscura fosse solo un effetto di una legge gravitazionale diversa da quella newtoniana, tutte le galassie dovrebbero mostrarne la presenza. Il fatto che ci siano galassie prive di materia oscura significa che manca davvero qualcosa nella loro struttura. Capire come mai Df2 sia priva di materia oscura richiederà ulteriori osservazioni, il mistero continua.

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