L’immagine mostra la galassia a spirale ‘disk-dominated’ NGC 6503, una delle 153 galassie oggetto di studio, ripresa dallo strumento Advanced Camera for Surveys installato a bordo del telescopio spaziale Hubble. Soprannominata anche Lost-in-Space galaxy, cioè galassia sperduta nello spazio, si tratta di una nana a spirale situata al limite di una regione dello spazio chiamata Vuoto Locale. La galassia non appartiene a un gruppo di galassie e quindi è gravitazionalmente isolata. Crediti: NASA, ESA, D. Calzetti (University of Massachusetts), H. Ford (Johns Hopkins University), Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration
Le galassie a forma di disco sembrano essere composte per la maggior parte dalla materia oscura. Gli astronomi ritengono, infatti, che quest’enigmatica entità, che costituisce oltre un quarto del contenuto materia-energia dell’Universo, rappresenti il parametro chiave che controlla la rotazione delle galassie. Oggi un gruppo di ricercatori della Case Western Reserve University e della University of Oregon ha studiato un campione di 153 galassie a disco, che coprono un ampio intervallo di masse, dimensioni e densità, trovando una relazione molto stretta tra la dinamica osservata e quella predetta dalla materia luminosa. I risultati di questo studio sono riportati oggi su Physical Review Letters.
Nel loro articolo, gli autori mostrano che esiste una semplice relazione universale tra l’accelerazione centripeta delle galassie e la distribuzione della materia ordinaria, cioè quella luminosa, in esse contenuta. Questo risultato implica che la materia visibile presente nel disco determina il profilo di densità dell’alone di materia oscura circostante. In altre parole, le distribuzioni della materia visibile e della materia oscura presenti nelle galassie sono connesse ancora di più di quanto era stato ipotizzato fino ad ora dagli astronomi.
Per capirne di più sull’importanza di questo lavoro, Media INAF ha raggiunto Federico Lelli del Dipartimento di Astronomia presso la Case Western Reserve University, a Cleveland nell’Ohio, co-autore dello studio, al quale sono state poste alcune domande.
Federico Lelli
Come mai vi siete interessati alla rotazione delle galassie?
«Le curve di rotazione “piatte” delle galassie a spirale rappresentano una delle principali evidenze osservative sulla presenza di materia oscura nell’Universo o, più precisamente, di discrepanze tra la massa dinamica e quella luminosa. Negli ultimi 20 anni, però, lo studio dettagliato e sistematico delle curve di rotazione ha suggerito che vi deve essere una relazione molto stretta tra la distribuzione di materia oscura e quella luminosa. Nel 2004 Renzo Sancisi, dell’INAF di Bologna, ha riassunto questo concetto con una frase sintetica ed efficace: per ogni “feature” presente nel profilo di brillanza di una galassia, vi è una corrisponente “feature” nella curva di rotazione, e viceversa. Negli ultimi anni, assieme ai miei collaboratori statunitensi, mi riferisco a Stacy McGaugh e a James Schombert, abbiamo studiato vari metodi per quantificare questa relazione, che era già nota a livello qualitativo ma ampiamente ignorata nel contesto del modello cosmologico lambda-CDM. Ora pensiamo di aver trovato un metodo ottimale per quantificare questa relazione tra la materia oscura e quella luminosa».
Il grafico mostra la relazione tra l’accelerazione centripeta osservata (asse verticale) e quella predetta dalla materia barionica (asse orizzontale). Sono rappresentati quasi 2700 punti (in scala di grigi) che si riferiscono ai dati relativi alle 153 galassie. Crediti: S. McGaugh, Federico Lelli and James M. Schombert 2016/PRL
Quali sono le implicazioni per la formazione e l’evoluzione delle galassie?
«Siamo partiti analizzando un campione di 153 galassie a disco (spirali e nane irregolari) di cui disponiamo sia dati radio che immagini fornite dal telescopio spaziale Spitzer in banda infrarossa. Mentre dalle osservazioni radio possiamo ricavare la curva di rotazione e la distribuzione del gas, i dati di Spitzer rappresentano lo strumento ideale per stimare la massa stellare e calcolare con precisione l’accelerazione gravitazionale che ci si aspetta dai barioni. Abbiamo trovato che l’accelerazione centripeta totale ad ogni raggio (data dalla curva di rotazione) si correla strettamente con quella che ci si aspetta dalla distribuzione dei barioni. Per accelerazioni elevate si trova una relazione 1:1 poichè i barioni dominano il potenziale, ma al di sotto di circa 10-10 m/s2 la relazione devia, poiché la materia oscura inizia a dominare. Il risultato sorprendente è che la deviazione a basse accelerazioni non è casuale, come ci si potrebbe aspettare se materia oscura e barioni fossero completamente indipendenti, ma segue una legge ben precisa. Non è chiaro se sia possibile spiegare tale relazione nell’ambito del modello lambda-CDM per la formazione delle galassie, visto che ci aspettiamo differenze significative tra galassia e galassia dovute a una varietà di processi fisici (mergers, formazione stellare, nuclei galattici attivi, inflows e outflows di gas, etc.). Inoltre, devo aggiungere che questa relazione è stata predetta circa 30 anni fa dal fisico teorico israeliano Mordehai Milgrom nel contesto della sua teoria MOND, dove invece di introdurre la materia oscura si vanno a modificare le leggi fondamentali della dinamica newtoniana».
Nel vostro articolo concludete affermando che “questa relazione empirica sembra essere una legge della natura“. Ci può spiegare questo concetto?
«Questa relazione è estremamente stretta per gli standard dell’astronomia extragalattica. Lo “spessore” rispetto alla relazione media è largamente dovuto ad errori di misura o a moderate variazioni nel rapporto massa-luminosità delle stelle. Quindi, la relazione intrinseca deve essere ancora più stretta. In altre parole, se potessimo avere delle misure con errori infinitamente piccoli, è possibile che la relazione diventi infinitamente stretta. Nel nostro ultimo articolo (sottomesso all’Astrophysical Journal) mostriamo che le variazioni rispetto alla relazione media non dipendono da nessuna proprietà fisica delle galassie: non importa se la galassia sia compatta o diffusa o se la massa barionica sia dominata da stelle o dal gas. Tutti gli oggetti seguono la stessa legge indipendentemente dalle loro diverse proprietà. Inoltre, facciamo vedere come altri tipi di galassie (ellittiche, lenticolari e nane sferoidali) seguano la stessa relazione, nonostante l’accelerazione centripeta totale venga misurata utilizzando traccianti molto diversi, come ad esempio l’emissione X del gas caldo o la dispersione di velocità delle stelle. Per questo motivo, concludiamo che questa relazione sembra essere una “legge di Natura”, simile alle leggi di Keplero per il Sistema solare. A livello empirico, se si misura la distribuzione dei barioni si può predire l’accelerazione totale e viceversa. Adesso la sfida sarà capire quale sia l’origine fisica di questa legge empirica».
Per saperne di più:
- Leggi il preprint su arXiv: Stacy S. McGaugh, Federico Lelli and James M. Schombert – The Radial Acceleration Relation in Rotationally Supported Galaxies
- Leggi anche su arXiv: F. Lelli et al. 2016 – One Law To Rule Them All: The Radial Acceleration Relation Of Galaxies