Simulazione al computer di una galassia con evidenziata la materia oscura che la permea e la circonda, tenendola assieme e permettendo a stelle e pianeti di formarsi. Crediti: Springel et al., Virgo Consortium, Max-Planck-Institute for Astrophysics
Un team internazionale di astronomi, guidati dall’italiano Michele Cappellari dell’Università di Oxford in Inghilterra, ha utilizzato i dati raccolti dal grande telescopio Keck alle Hawaii per analizzare i movimenti delle stelle nelle parti esterne di un gran numero di galassie ellittiche, scoprendo somiglianze di comportamento gravitazionale sorprendenti tra galassie ellittiche e galassie a spirale. Questo risultato inaspettato – in via pubblicazione sulla rivista Astrophysical Journal Letters – implica che nelle galassie sono al lavoro delle forze nascoste, con degli effetti non spiegabili solo in termini di materia oscura. Come già si sapeva per le galassie spirali, anche per le galassie ellittiche sembra quasi come se materia oscura e materia ordinaria complottassero assieme per spartirsi il territorio galattico.
Una delle più importanti scoperte scientifiche del 20° secolo, risalente a una quarantina d’anni fa, è stata che le spettacolari galassie a spirale, come la nostra Via Lattea, ruotano molto più velocemente di quanto prevedibile. Ciò avviene sotto la spinta di una forza gravitazionale aggiuntiva, determinata da una materia di cui riusciamo a vedere gli effetti, ma in sé non osservabile, “oscura” appunto. Una mano invisibile che plasma le galassie, ma di cui non sappiamo quasi nulla. Il nuovo studio di Cappellari e colleghi aggiunge nuovi elementi, aprendo al contempo nuove domande verso la comprensione di questo sfuggente costituente.
«La sorprendente scoperta del nostro studio è che le galassie ellittiche mantengono una velocità circolare notevolmente costante fino a grandi distanze dai loro centri, nello stesso modo in cui è già noto che lo facciano le galassie a spirale», dice Cappellari. «Questo significa che, pur molto diversi tra loro, in entrambi i tipi di galassie le stelle e le materia oscura “cospirano” per redistribuirsi nella galassia e produrre questo effetto che osserviamo, dove le stelle hanno il dominio delle regioni più interne, mentre la materia oscura prende gradualmente il sopravvento verso la periferia».
Velocità delle stelle nelle orbite circolari attorno a galassie a spirale ed ellittiche. Senza materia oscura (riga verde) la velocità dovrebbe decrescere con l’aumentare della distanza dal centro, con andamenti diversi per i due tipi di galassie. Invece, la materia oscura “cospira” e si distribuisce nei due casi in maniera da compensare le differenze nella distribuzione stellare, mantenendo le velocità costanti (riga gialla). Crediti: M. Cappellari and the Sloan Digital Sky Survey
Le galassie a spirale rappresentano meno della metà della massa stellare nell’Universo, più appannaggio di galassie ellittiche e lenticolari, le quali presentano una distribuzione delle stelle al proprio interno maggiormente sparsa, senza i dischi piatti di gas che contraddistinguono le spirali. Proprio a causa delle loro caratteristiche, prima di questo studio – compiuto grazie al potente spettrografo DEIMOS sul telescopio Keck – era stato tecnicamente molto difficile misurare la massa delle galassie ellittiche, per scoprire, attraverso le leggi sulla gravitazione di Newton, quanta materia oscura vi fosse celata al loro interno, e come questa fosse distribuita.
Se gli astrofisici gridano addirittura al complotto galattico è perché le giravolte delle stelle osservate sia nelle galassie a spirale che, ora, in quelle ellittiche non rispettano i canoni dei modelli di materia oscura più accreditati. «In termini tecnici», spiega Cappellari a Media INAF, «la somma di stelle e materia oscura produce curve di velocità circolare piatte, indipendentemente da quale sia la distribuzione delle stelle, che è molto diversa nelle spirali e nelle ellittiche».
«La maggior parte dei modelli pubblicati prima del nostro risultato», prosegue Cappellari, «prevedeva delle variazioni sistematiche nella curva di velocità circolare, variazioni che sono in conflitto con le nostre osservazioni. Ciò non significa che il modello generale sia sbagliato, ma solamente che la nostra comprensione di come le stelle interagiscono con la materia oscura è ancora limitata. Ora si può utilizzare il nuovo risultato per capire dove va modificato il modello».
Esempio di mappatura e analisi delle velocità circolari delle stelle in una galassia ellittica: dati originali (sopra) e modello che combina l’influsso gravitazionale di materia oscura e luminosa (sotto), in buon accordo con le osservazioni. Crediti: M. Cappellari and the SLUGGS team
Il passo successivo, su cui sta lavorando lo stesso Cappellari assieme ai suoi colleghi, consiste nel costruire dei nuovi modelli numerici che descrivano l’evoluzione delle galassie con la materia oscura, riproducendo la costanza osservata della velocità circolare in tutti i tipi di galassie senza ricorrere agli “aggiustamenti” a cui i cosmologi sono costretti in mancanza di conoscenze più approfondite.
Un ultimo commento viene dedicato dai ricercatori alla considerazione che i risultati del loro studio forse non avvalorano, ma certamente non smentiscono le teorie alternative alla gravità newtoniana (MOND, Dinamica Newtoniana Modificata) secondo cui il comportamento della materia visibile osservata nelle galassie non sarebbe dovuta alla materia oscura ma al fatto che la legge di Newton diventerebbe progressivamente meno accurata sulle grandi distanze. «La teoria MOND, che dopo più di trent’anni da quando è stata proposta non accenna a diminuire di popolarità, spiegherebbe in maniera naturale ciò che troviamo», ammette un po’ a denti stretti Cappellari concludendo.
Per saperne di più:
- Il preprint dello studio SMALL SCATTER AND NEARLY ISOTHERMAL MASS PROFILES TO FOUR HALF-LIGHT RADII FROM TWO-DIMENSIONAL STELLAR DYNAMICS OF EARLY-TYPE GALAXIES, di Michele Cappellari, Aaron J. Romanowsky, Jean P. Brodie, Duncan A. Forbes, Jay Strader, Caroline Foster, Sreeja S. Kartha, Nicola Pastorello, Vincenzo Pota, Lee R. Spitler, Christopher Usher e Jacob A. Arnold