Proprio come le increspature in uno stagno indicano che qualcuno ha lanciato una pietra, eseguito un contatore dell'acqua o saltato una rana, l'esistenza di una sostanza misteriosa - la materia oscura - è determinata dalla sua vasta influenza sullo spazio. Gli astronomi non possono osservarlo direttamente, ma la gravità della materia oscura determina la nascita, la forma e il movimento delle galassie. Ciò rende la scoperta dello scorso anno completamente inaspettata: in una strana galassia diffusa, non è stata trovata alcuna materia oscura. Pensi che sia tutto? Non importa come sia.
Galassie senza materia oscura
Diversi studiosi hanno accolto con favore questa scoperta. Altri hanno espresso i loro dubbi, criticando la misurazione delle distanze e del movimento della galassia. La posta in gioco è alta: se c'è davvero una mancanza di materia oscura in questa galassia, paradossalmente confermerà l'esistenza di questa materia.
E così, il team originale ha acquisito ulteriori prove a sostegno della sua scoperta originale. Inoltre, è stata scoperta una seconda galassia con sintomi simili. Dove prima c'era una galassia ultradiffusa priva di materia oscura (a prima vista), ora ce ne sono due.
"Un oggetto può sempre essere cancellato come un unicorno, ma non appena trovi due unicorni, inizi a chiederti della possibile esistenza degli unicorni", afferma Michael Boylan-Kolchin, un astronomo dell'Università del Texas ad Austin, che non è stato coinvolto nello studio. "E poi inizi a pensare da dove vengono, quali sono le loro proprietà e quanto sono comuni".
Alla ricerca di unicorni
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Le due galassie che ci interessano sono molto deboli e lontane dalla Terra: i fotoni dei loro ammassi stellari hanno iniziato a viaggiare verso il nostro pianeta negli ultimi giorni del regno dei dinosauri, circa 65 milioni di anni fa. La prima galassia NGC 1052-DF2 ha le dimensioni della Via Lattea, ma contiene 100 volte meno stelle. La nuova galassia NGC 1052-DF4 si trova nella stessa regione del cielo e ha all'incirca le stesse dimensioni e massa.
Nel marzo dello scorso anno, gli scienziati guidati da Shani Danieli e Peter van Dokkum della Yale University hanno pubblicato uno studio che stimava le dimensioni di NGC 1052-DF2 osservando la sua luce stellare, nonché i movimenti degli ammassi stellari che lo circondano. Se NGC 1052-DF2 contenesse tanta materia oscura quanta gli astronomi si aspetterebbero normalmente da essa, la materia oscura aumenterebbe le velocità orbitali di questi fenomeni stellari. Ma si muovono lentamente, il che suggerisce che non esiste materia oscura. I critici sostengono che le velocità di questi ammassi stellari siano state calcolate male e, anche se fossero corrette, la dimensione del campione di soli 10 ammassi stellari era troppo modesta per determinare in modo affidabile lo stock di materia oscura di NGC 1052-DF2.
A ottobre Danieli ha deciso di affrontare questo problema utilizzando una tecnica diversa. Ha preso il Keck Cosmic Web Imager, un nuovo strumento recentemente installato dietro il gigantesco specchio principale di 10 metri del telescopio Keck alle Hawaii. Questo strumento può misurare la luce di oggetti molto deboli con una risoluzione estremamente elevata, rendendolo ideale per lo studio di galassie ultradiffuse come NGC 1052-DF2. Questo strumento era così buono che Danieli non doveva più studiare i movimenti dell'ammasso stellare per determinare la massa della galassia. Invece, potrebbe ottenere la massa direttamente, usando direttamente la luce stellare della galassia.
In termini di informazioni, la luce delle stelle ne contiene molte. Dividendo la luce nei suoi colori costituenti (questo è chiamato spettroscopia), gli scienziati possono determinare la composizione di una stella, la sua età, la direzione nello spazio e la velocità. La maggior parte di queste informazioni viene trasmessa sotto forma di linee spettrali - elementi lineari incorporati nello spettro di una stella a causa dell'emissione o dell'assorbimento di vari elementi chimici. Lo strumento di Keck ha misurato lo spettro di circa 10 milioni di stelle nella galassia DF2. La dimensione della diffusione tra le stelle più veloci e quelle più lente della galassia dà un'idea di quanta materia interagisce con loro. Più materia, oscura o di altro tipo, maggiore è la diffusione delle velocità delle stelle.
"Con nostra sorpresa, abbiamo misurato linee spettrali estremamente strette che lasciano pochissimo spazio per una massa maggiore rispetto alla massa portata dalle stelle nella galassia", dice Danieli. Semplicemente non c'è posto per la materia oscura.
Nel frattempo, Erik Emsellem dell'European Southern Observatory ei suoi colleghi hanno esplorato la galassia con il Very Large Telescope nel deserto di Atacama in Cile. Hanno anche scoperto una dispersione a bassa velocità che supporta lo scenario della materia oscura mancante.
Nicholas Martin, un astronomo dell'Università di Strasburgo in Francia, è stato uno dei critici dell'articolo originale. In un documento di follow-up pubblicato lo scorso anno, ha affermato che è troppo difficile stimare la massa della galassia DF2 in base ai movimenti dell'ammasso stellare circostante. Ma Martin dice di essere stato rassicurato dagli ultimi risultati di Danieli ed Emsell.
“Questo è diventato possibile grazie a nuovi strumenti arrivati ai più grandi telescopi del pianeta. E, ad essere onesto, un anno fa non era ovvio per me che questo sarebbe stato fattibile. Un anno fa non ero pronto a dire che questo sistema sarebbe stato assolutamente necessariamente strano, perché mi sembrava che le misurazioni non fossero completamente supportate dai dati. Ma ora che ci sono due diverse squadre che hanno misurato da sole la gamma di velocità delle stelle, penso che sia diventato ovvio che c'è una stranezza.
I risultati di Danieli sono stati presentati in una conferenza sulla materia oscura presso l'Università di Princeton e saranno pubblicati sull'Astrophysical Journal Letters.
Nel complesso, la sua ricerca suggerisce che esiste un'intera classe di galassie così povere di materia oscura.
Alla ricerca della materia mancante
Alcuni astronomi si stanno arrovellando su come potrebbero formarsi queste galassie e dove è finita la materia oscura. Boylan-Kolchin afferma che una possibilità è l'attrazione gravitazionale di una galassia vicina, molto più grande, separata dalla materia oscura. Oppure DF2 e DF4 potrebbero non essere affatto galassie, ma modesti gruppi di stelle camuffate da galassie; in questo caso, questi gruppi isolati di stelle potrebbero formarsi da getti di gas in collisione fuoriusciti altrove. Oppure potrebbero esserci scenari ancora più noiosi, ad esempio l'orientamento delle galassie rispetto alla Terra, che influisce negativamente sull'ottenimento di misurazioni spettrali accurate dei loro movimenti.
Una cosa è certa: se non sorgono gravi dubbi, l'assenza di materia oscura nelle galassie dimostrerà in modo convincente che questa materia è separabile da stelle, gas, polvere e altra materia ordinaria. E questo, a sua volta, rafforzerà la tesi dell'esistenza della materia oscura.
Ad oggi, nessuno ha definitivamente scoperto la materia oscura, nonostante decenni di intense ricerche. La mancanza di prove ha spinto alcuni astrofisici a cercare modi alternativi per scolpire le galassie e controllare il loro movimento attraverso l'emergere di ipotesi come "gravità emergente" e "dinamica newtoniana modificata". I fautori di queste ipotesi sostengono che la maggior parte degli astronomi crede che la materia oscura possa essere un fenomeno che deriva dalla fisica che non comprendiamo appieno. Ma in questo caso, queste strane galassie parleranno a favore del fatto che le alternative sono sbagliate e che la materia oscura potrebbe effettivamente essere la causa.
Ilya Khel
