In questa immagine sono mostrate le increspature nel disco della Via Lattea, insieme ai resti mareali della galassia nana del Sagittario. Nel riquadro sono mostrate le pulsar analizzate da Chakrabarti e collaboratori per calcolare le accelerazioni galattiche. Crediti: Ias; Dana Berry
È noto che l’espansione dell’universo sta accelerando a causa di una misteriosa forma di energia, l’energia oscura. All’interno delle galassie, anche le stelle subiscono un’accelerazione, dovuta a una combinazione di materia oscura e densità stellare. In un nuovo studio che verrà pubblicato su The Astrophysical Journal Letters – e che è stato presentato ieri al 237esimo meeting della American Astronomical Society – i ricercatori hanno riportato la prima misurazione diretta dell’accelerazione media all’interno della nostra galassia, la Via Lattea.
Il team di ricercatori – guidato da Sukanya Chakrabarti dell’Institute for Advanced Study (Ias) e composto da colleghi del Rochester Institute of Technology, dell’Università di Rochester e dell’Università del Wisconsin-Milwaukee – ha utilizzato i dati delle pulsar per determinare le accelerazioni radiali e verticali delle stelle all’interno e all’esterno della nostra galassia. Sulla base di queste nuove misurazioni ad alta precisione e della quantità nota di materia visibile nella galassia, i ricercatori sono stati in grado di calcolare la densità della materia oscura nella Via Lattea senza assumere che la galassia sia in uno stato stazionario.
Sebbene le stelle sfreccino attraverso la galassia a centinaia di chilometri al secondo, questo studio indica che il cambiamento nelle loro velocità avviene a un ritmo paragonabile a quello di una lumaca: pochi centimetri al secondo – circa la stessa velocità di un bambino che sta gattonando. Per rilevare questa debole accelerazione, il team si è basato sul timing estremamente preciso delle pulsar, che sono ampiamente distribuite in tutto il piano galattico e nell’alone. Estendendosi verso l’esterno fino a circa 300mila anni luce dal centro galattico, l’alone può infatti fornire importanti suggerimenti per comprendere la materia oscura, che rappresenta circa il 90 per cento della massa della galassia ed è altamente concentrata sopra e sotto il piano galattico, denso di stelle. Il movimento stellare in questa particolare regione – uno degli obiettivi principali di questo studio – può essere influenzato dalla materia oscura. Utilizzando le misurazioni della densità locale ottenute con questo studio, i ricercatori avranno ora un’idea migliore di come e dove cercare la materia oscura.
Mentre studi precedenti per calcolare la densità di massa media presumevano uno stato di equilibrio galattico, questa ricerca si basa sul naturale stato di non equilibrio della nostra galassia. La differenza è paragonabile a quella tra la superficie di uno stagno prima e dopo il lancio di una pietra. Tenendo conto delle “increspature”, il team è stato in grado di ottenere un’immagine più accurata della realtà. Sebbene, in questo caso, piuttosto che da pietre la Via Lattea è influenzata da una storia turbolenta di fusioni galattiche, e continua ancora oggi a essere perturbata da galassie nane esterne come le due Nubi di Magellano. Di conseguenza, le stelle non hanno orbite “lisce” ma tendono a seguire un percorso simile a quello che si presenta sulla superficie di un disco in vinile deformato, attraversando sopra e sotto il piano galattico.
Uno dei punti chiave che ha consentito questo approccio di osservazione diretta è stato l’uso dei dati delle pulsar preparati da collaborazioni internazionali, tra cui NanoGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves), che ha ottenuto dati dai telescopi Green Bank e Arecibo. Questo studio fondamentale amplia gli studi condotti sin dagli anni Trenta del secolo scorso per calcolare la densità di massa media nel piano galattico (limite di Oort) e la densità di materia oscura locale. Gli studiosi dello Ias – tra cui Jan H. Oort, John Bahcall, Jo Bovy, Scott Tremaine e Chakrabarti – hanno svolto un ruolo importante nel far progredire quest’area di ricerca.
«Per secoli gli astronomi hanno misurato la posizione e la velocità delle stelle, ma queste forniscono solo un’istantanea del complesso comportamento dinamico della Via Lattea», osserva Tremaine. «Le accelerazioni misurate da Chakrabarti e dai suoi collaboratori sono direttamente causate dalle forze gravitazionali della materia nella galassia, sia visibile che oscura, e forniscono quindi una nuova e promettente finestra sulla distribuzione e la composizione della materia nella galassia e nell’universo».
Questi risultati consentiranno il proliferare di un’ampia varietà di studi futuri. Presto saranno inoltre possibili misurazioni accurate delle accelerazioni utilizzando il metodo della velocità radiale complementare che Chakrabarti ha sviluppato all’inizio di quest’anno, che misura la variazione della velocità delle stelle con alta precisione. Ciò consentirà anche simulazioni più dettagliate della Via Lattea, migliorerà i vincoli sulla relatività generale e fornirà indizi nella ricerca della materia oscura. Le estensioni di questo metodo potrebbero infine permetterci di misurare direttamente anche l’accelerazione cosmica.
Sebbene non sia ancora possibile un’immagine diretta della nostra galassia, simile a quella della Terra scattata dagli astronauti dell’Apollo, questo studio ha fornito nuovi dettagli essenziali per aiutare a immaginare l’organizzazione dinamica della Via Lattea dall’interno.
Per saperne di più:
- Leggi il preprint dell’articolo in uscita su The Astrophysical Journal Letters “A measurement of the Galactic plane mass density from binary pulsar accelerations”, di Sukanya Chakrabarti, Philip Chang, Michael T. Lam, Sarah J. Vigeland, Alice C. Quillen