Ecco le più piccole aggregazioni di materia oscura

Una squadra di astronomi ha rivelato due strutture massive localizzate appena al di fuori della Via Lattea, strutture che sembrano essere state, per così dire, “bucate” da una scia di stelle. Si tratta di una scoperta legata, molto probabilmente, alla presenza di aggregazioni di materia oscura, quell’invisibile sostanza che tiene unite le galassie e che forma un quarto del contenuto materia-energia dell’Universo. Lo studio è pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).

Gli scienziati dell’Università di Cambridge hanno individuato queste particolari regioni del cielo analizzando le stelle presenti nella Via Lattea. Con una massa compresa tra un milione e cento milioni di volte quella del Sole, queste strutture sono gigantesche, se paragonate al Sistema solare, e rappresentano le formazioni più piccole di materia oscura rivelate fino ad oggi.

I risultati di questo studio potrebbero fornire nuovi indizi per comprendere le proprietà della materia oscura deducendo il tipo di particella di cui sarebbe composta questa enigmatica sostanza. Infatti, secondo i calcoli e le simulazioni realizzati dagli autori, la materia oscura sarebbe costituita di particelle più massive e lente rispetto a quanto ipotizzato, anche se questo tipo di particelle non sono state ancora rivelate.

«Se da un lato non comprendiamo di che cosa è fatta la materia oscura, dall’altro sappiamo che è ovunque», spiega Denis Erkal dell’Institute of Astronomy di Cambridge e autore principale dello studio. «Essa permea l’Universo e agisce come una sorta di scheletro cosmico sul quale si appoggiano gli oggetti astrofisici, come le galassie, composti dalla materia ordinaria».

L’attuale modello cosmologico standard che tenta di spiegare l’origine dell’Universo predice che molti assemblamenti di materia oscura sono rimasti inutilizzati e che ci sono ancora decine di migliaia di piccole formazioni che popolano le zone interne e i dintorni della Via Lattea. Queste aggregazioni più piccole, che gli astronomi chiamano sub-aloni di materia oscura, sono completamente scure e non contengono stelle, gas o polvere.

La materia oscura non può essere osservata direttamente, perciò la sua esistenza viene di solito dedotta dagli effetti gravitazionali che essa esercita sugli altri oggetti, ad esempio osservando il moto delle stelle in una galassia. Ma dato che i sub-aloni di materia oscura non contengono materia ordinaria, i ricercatori devono sviluppare tecniche alternative per rivelarli.

La tecnica sviluppata dai ricercatori di Cambridge ha lo scopo di cercare sostanzialmente queste particolari formazioni di materia oscura. Le scie stellari sono composte dai resti di piccoli oggetti satelliti, galassie nane o ammassi globulari, che erano una volta in orbita attorno alla nostra galassia e che poi le intense forze di marea della Via Lattea hanno distrutto nel corso del tempo. I resti di queste strutture iniziali si estendono nello spazio formando spesso lunghe e strette “code stellari”.

«Le scie stellari sono strutture semplici e fragili», dice Sergey Koposov, co-autore dello studio. «Le stelle che fanno parte di queste strutture seguono da vicino l’un l’altra, dato che le loro orbite hanno avuto origine dalla stessa posizione. Tuttavia, non sentono la presenza degli altri componenti, perciò l’apparente coerenza della scia può essere interrotta se nelle vicinanze passa un corpo massivo. In altre parole, se un sub-alone di materia oscura attraversa un scia stellare, il risultato sarà la formazione di un ‘buco’ proporzionale alla massa del corpo celeste che l’ha creato».

I ricercatori hanno utilizzato i dati delle scie stellari visibili nell’ammasso globulare Palomar 5 allo scopo di cercare evidenze di un passaggio ravvicinato di un sub-alone. Facendo uso di una nuova tecnica di modellazione, gli scienziati sono stati in grado di osservare la scia stellare con una precisione più elevata rispetto a quanto sia stato fatto in precedenza: i dati osservativi indicano la presenza di code mareali ondulate che mostrano due buche di larghezza differente.

Dopo aver eseguito numerose simulazioni numeriche, i ricercatori hanno trovato che questi buchi sono consistenti con un passaggio ravvicinato di un sub-alone di materia oscura. Se confermate, queste formazioni potrebbero rappresentare gli addensamenti più piccoli di materia oscura finora osservati. «Se la materia oscura può aggregarsi in formazioni più piccole della più piccola galassia nana, allora questo ci può anche dire qualcosa sulla natura delle particelle di cui è composta la materia oscura, ossia che essa deve essere costituita di particelle decisamente massive», aggiunge Vasily Belokurov co-autore dello studio. «Ciò potrebbe rappresentare un passo in avanti verso la comprensione della natura della materia oscura».

La ragione per cui gli autori possono ipotizzare l’esistenza di questa correlazione è che la massa della formazione più piccola di materia oscura è strettamente legata alla massa della particella, non ancora osservata, di cui sarebbe per l’appunto composta la materia oscura. Per essere più precisi, più piccoli risultano gli addensamenti di materia oscura e più elevata sarebbe la massa della particella.

Dato che non sappiamo di che cosa è fatta la materia oscura, il modo più semplice per caratterizzare le particelle è quello di assegnare loro una particolare massa o energia. Se le particelle sono molto leggere, esse si possono spostare più rapidamente e disperdersi formando addensamenti molto ampi. Viceversa, se le particelle sono molto massive, allora non potranno muoversi molto velocemente, il che le porterà a condensare, in prima battuta, verso aggregazioni molto più ridotte di materia oscura. «La massa è correlata alla velocità di queste particelle che ci indica a sua volta la loro dimensione», dice Belokurov. «Ecco perché è interessante rivelare piccole aggregazioni di materia oscura: ci dicono che le particelle stesse devono essere alquanto massive».

«Se la nostra tecnica funziona, come prevediamo, nel prossimo futuro saremo in grado di utilizzarla per scoprire formazioni ancora più piccole di materia oscura» , conclude Erkal. «È un po’ come mettersi degli occhiali di materia oscura e vedere sfrecciare intorno migliaia di ‘macchie’ scure celesti, ognuna più massiva di un milione di soli».

Per saperne di più:

• Leggi il preprint su arXiv: A sharper view of Pal 5’s tails: Discovery of stream perturbations with a novel non-parametric technique

Articolo a cura di Corrado Ruscica su Media INAF.