LE TRE COMPONENTI SI INFLUENZANO A VICENDA

Così si parlano galassie, materia oscura e buchi neri

Uno studio guidato da Antonino Marasco dell’Inaf di Arcetri, appena pubblicato su Mnras, evidenzia una forte correlazione – niente affatto scontata – fra le masse delle tre componenti principali di una galassia: la componente stellare, la componente di materia oscura presente nell’alone e il buco nero supermassiccio che giace al centro della galassia stessa

     23/08/2021
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Grafico 3D della distribuzione del campione di 55 galassie in funzione della massa dell’alone di materia oscura (Mh), di quella del buco nero centrale (Mbh) e della “stellar-to-halo mass fraction” (f★). Crediti: A. Marasco et al., Mnras, 2021

Uno studio effettuato su un campione di 55 galassie nell’universo locale, in pubblicazione su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, ha mostrato l’esistenza di una forte correlazione tra le masse delle tre componenti principali di una galassia: la componente stellare, la componente di materia oscura e il buco nero supermassiccio che giace al centro della galassia stessa. I risultati mostrano come tutte le galassie analizzate si dispongano attorno a una sequenza ben definita nello spazio 3D costituito dalle masse di queste tre componenti.

«Siamo partiti da un campione di galassie locali con le stime più aggiornate della massa di stelle e del buco nero centrale. Poi, per ognuna di queste galassie abbiamo setacciato la letteratura alla ricerca di possibili traccianti dinamici per stimare la massa dell’alone di materia oscura», spiega a Media Inaf il primo autore dello studio, Antonino Marasco dell’Inaf di Arcetri. «Buona parte di queste stime deriva da precedenti lavori sulla cinematica degli ammassi globulari (per le galassie ellittiche) e sulle curve di rotazione dell’idrogeno neutro (per le galassie a spirale). Per queste ultime abbiamo recuperato articoli pubblicati negli anni Ottanta!».

Antonino Marasco, assegnista di ricerca all’Inaf-Osservatorio astrofisico di Arcetri. Crediti: L. Bisigello

Sebbene si ritenga che tutte le galassie siano “immerse” in un alone di materia oscura, e che al centro di ogni galassia viva un buco nero supermassiccio, non è affatto scontato pensare che queste tre componenti siano in relazione l’una con le altre. La motivazione è semplice: le scale fisiche di queste strutture sono completamente diverse. Gli aloni di materia oscura si estendono per svariate decine o centinaia di kiloparsec (kpc) attorno alle galassie, le quali a loro volta hanno dimensioni tipiche di alcuni kpc. Invece, la sfera di influenza di un buco nero di massa di cento milioni di masse solari è di appena dieci parsec. Com’è quindi possibile che la massa del buco nero correli così bene con la massa dell’alone? Più in generale, come fanno componenti astrofisiche così diverse a “parlarsi”, coordinando la propria evoluzione fino a posizionarsi sulla la sequenza osservata?

La chiave per capire le relazioni osservate è focalizzarsi sul cosiddetto “ciclo del gas” nelle galassie, e sul suo ruolo nella loro evoluzione. Secondo il modello cosmologico standard, la materia oscura proveniente dallo spazio intergalattico si deposita continuamente sugli aloni attorno alle galassie, portando sempre con sé una modesta quantità di gas (in un rapporto di massa approssimativamente di 5:1). Questo gas, inizialmente caldo e diffuso, si raffredda lentamente per poi unirsi al pre-esistente mezzo interstellare, che costituisce la materia prima utilizzata nei processi di formazione stellare e di accrescimento del buco nero.

Crediti: Eso/L. Calcada per il background di galassia e dark matter; Eso/M. Kornmesser per l’inset del buco nero

Tali processi, tuttavia, rilasciano una notevole quantità di energia termica e meccanica nel mezzo circostante: questo cosiddetto feedback da formazione stellare o da nucleo galattico attivo provoca un riscaldamento del gas e/o una sua espulsione dalla galassia, rallentando o persino inibendo i processi stessi che ne sono la causa. In quest’ottica appare evidente come le tre componenti non evolvano in modo indipendente, ma si influenzino a vicenda: più materia oscura implica più gas per la crescita delle stelle e del buco nero, ma anche più feedback.

«Nel nostro studio abbiamo cercato di formulare questo modello di evoluzione galattica in modo matematico», dice Marasco, «scoprendo che riesce a riprodurre molto bene le relazioni osservate. In particolare, nel nostro modello la relazione tra massa del buco nero e massa di materia oscura è causata dal continuo equilibrio tra l’energia rilasciata dal nucleo galattico attivo e quella gravitazionale del gas che raffredda nell’alone».

Il team di ricerca che ha firmato l’articolo è composto da otto ricercatori, cinque dei quali – fra i quali lo stesso Marasco – dell’Inaf di Arcetri. A causa delle difficoltà intrinseche nel misurare le masse dei buchi neri, lo studio si è focalizzato su galassie di massa intermedia (come la Via Lattea) o superiore, e ha richiesto un’approfondita analisi di dati di archivio e dei risultati pubblicati in letteratura negli ultimi decenni. Telescopi futuri, come Elt, permetteranno di estendere la ricerca alle galassie nane, ottenendo informazioni cruciali sui processi co-evoluzione tra stelle, buchi neri e materia oscura in un regime di massa ancora da esplorare.

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