E quindi c’è una galassia senza materia oscura

Il 28 marzo 2018 è apparso su Nature un articolo scientifico dal titolo “A galaxy lacking dark matter” (Una galassia a cui manca la materia oscura).

[Qui trovate il preprint su arxiv.org, visto che non tutti hanno un abbonamento a Nature (io nemmeno, eh)]

Pieter Van Dokkum della University of Yale e il suo team hanno trovato una galassia a circa 65 milioni di anni luce che praticamente non contiene materia oscura; la galassia in questione si chiama NGC1052–DF2.

Eccola qua: la galassia NGC 1052-DF2 (©NASA/ESA/HST)

Per farlo, i ricercatori hanno dovuto misurare la massa in due modi indipendenti. Così hanno prima stimato la massa di NGC1052–DF2 studiando la luce delle stelle che fanno parte della galassia. Fatto ciò, si è studiato il moto di 10 ammassi globulari che si trovano in NGC1052–DF2 e da qui si è stimata la massa della galassia. Confrontando i due valori viene fuori una cosa singolare (per come siamo abituati): i due valori sono in accordo.

E quindi vale la pena spendere due parole sulla faccenda, e forse vi sembrerà incredibile, ma la scoperta una galassia senza materia oscura è qualcosa che potrebbe ulteriormente supportare la teoria che nell’universo ci sia la materia oscura.

Ehm, cosa? Un attimo, procediamo con calma.

Facciamo un passo indietro

Per capire meglio perché la faccenda sia singolare, bisogna un attimo fare un breve ripasso. Pensate al nostro sistema solare: ciascun pianeta orbita il Sole con una sua velocità, che dipende da quanto è forte il campo gravitazionale del Sole alla distanza a cui si trova il pianeta. E il campo gravitazionale del Sole dipende, oltre che dalla distanza dal pianeta, anche dalla massa del Sole stesso. Tale velocità orbitale, attenzione, non dipende dalla massa del pianeta: senza cambiare la distanza dal Sole, potete metterci anche un cocomero al posto del pianeta e il cocomero si muoverà alla stessa velocità con cui si muoveva il pianeta in precedenza.

Quindi, semplificando al massimo, la velocità con cui orbita un pianeta è un ottimo modo per tracciare il campo gravitazionale solare e quindi stimare la massa del Sole.

Lo stesso discorso vale per le galassie. Se tracciamo il moto delle stelle in una galassia possiamo stimare il campo gravitazionale e quindi la massa della galassia, indipendentemente dal tipo di materia che c’è nella galassia. Questo è il modo con cui si è iniziato a parlare di materia oscura, per esempio. E finora, quasi praticamente sempre, si è trovato che la massa stimata con lo studio della velocità delle stelle è maggiore di quella stimata usando solo le stelle. Cioè oltre alla materia visibile (le stelle) c’è dell’altro: c’è la materi oscura.

Nel caso di NGC1052–DF2, invece di usare le stelle sono stati usati gli ammassi globulari. Gli ammassi globulari sono ammassi molto densi di stelle abbastanza vecchie (poi un giorno ne riparliamo con calma). Il fine è però sempre lo stesso: studiare il moto di oggetti che orbitano la galassia per stimare la massa della stessa.

Come già detto, per la galassia NGC1052–DF2 il valore stimato dalle stelle e quello stimato dalle velocità degli ammassi globulari è praticamente lo stesso. Non sembrano esserci nemmeno le briciole della materia oscura da quelle parti.

Possibili spiegazioni

Prima di andare avanti, da bravi scienziati, bisogna chiedersi: come mai? Ci sono i presupposti per avere una galassia fatta così? E se sì, tali condizioni si trovano in NGC1052–DF2?

Per esempio, NGC1052-DF2 potrebbe essere una galassia che si è formata da un po’ di gas scappato via durante lo scontro tra altre due galassie. Sembra una cosa bizzarra, ma gli autori stessi nell’articolo della scoperta di NGC1052-DF2 la descrivono come un’ipotesi da non sottovalutare. Questo perché NGC1052-DF2 sembra avere un’alta velocità e si trova nei pressi della galassia ellittica NGC1052 (si pensa, ma chissà se è vero, che le ellittiche possano essere il risultato dello scontro di due galassie a spirale).

Anche altri scenari sono stati considerati da van Dokkum e il suo team, per esempio il fatto che NGC1052-DF2 sia nata da del gas scappato via da altre galassie oppure da NGC1052 e che abbia portato quindi alla formazione di questa peculiare galassia senza materia oscura.

La situazione non è molto chiara, ma è giusto per dire che prima di pensare a chissà cosa, meglio passare al vaglio tutte le varie ipotesi.

Ma perché serve la materia oscura in una galassia?

Senza materia oscura si fa davvero molta, tanta fatica a spiegare come si sono formate le galassie nell’universo. In pratica la storia è la seguente. Nell’universo ci sono la materia oscura e la materia barionica (standard, quella delle stelle insomma) e la radiazione. All’inizio queste componenti stanno tutte insieme, poi a un certo punto la materia oscura si stacca e inizia a collassare, formando delle strutture. Quando anche la materia barionica si disaccoppia dalla radiazione (questo avviene 380 mila anni dopo il Big Bang e si forma la radiazione cosmica di fondo), ecco che è libera di collassare nelle strutture già create dalla materia oscura. La materia barionica, collassando, forma le prime stelle e quindi le prime galassie. Tutto questo avviene perché esistono già dei “pozzi” di materia oscura pronti a ospitare la materia barionica. E inoltre, in questo modo, abbiamo anche che tutto torna in termini di massa delle galassie e degli ammassi di galassie che vediamo oggi in giro per l’universo.

Se ci fosse solo la materia barionica, allora dovremmo osservare strutture differenti nell’universo. La materia oscura, scoperta per altri motivi, si è rivelata uno strumento dunque essenziale per capire la formazione delle galassie. Cioè, senza materia oscura non possiamo avere le galassie.

Per questo motivo, la scoperta di una galassia senza materia oscura fa strano. A meno che non sia accaduto dovuto a interazioni con galassie circostanti già esistenti, certo. Ma se come NGC1052-DF2 ce ne fossero tante altre e se si trovassero in ambienti differenti, beh a quel punto bisognerà ragionarci sopra un attimo per bene.

Di certo, una cosa importante che sembra dimostrare lo studio della galassia NGC1052-DF2 è che materia oscura e galassie possono anche evitare di andare a braccetto. Potete vederla come volete: vuol dire sia che non è detto che dove c’è materia oscura c’è una galassia, sia viceversa.

Qui casca l’alternativa

Sembra incredibile, ma l’osservazione di NGC1052-DF2 non darebbe poi tanti problemi alla teoria della materia oscura, bensì potrebbe creare problemi a tutte le alternative.

Infatti, le teorie alternative alla materia oscura usano modifiche della teoria della gravità per provare a spiegare ciò che osserviamo nelle galassie e che spieghiamo tramite la materia oscura. Se c’è una galassia che si spiega benissimo da sola, cioè in cui possiamo dire “Ah, vabbè, semplicemente non c’è materia oscura”, allora ogni teoria che si propone come alternativa alla materia oscura va in difficoltà, perché viene a mancare proprio quell’elemento di differenza su cui si basa per principio.

Cioè in teorie come la teoria MOND (MOdified Newtonian Dynamics) o nella gravità emergente di Verlinde ci dovrebbero sempre essere i segni di materia oscura, sia essa davvero un qualche tipo di materia sconosciuta oppure una modifica delle leggi della gravità. Queste teorie alternative, voglio dire, si basano proprio sul fatto che ci sia un problema da risolvere, cioè quel problema che noi tutti chiamiamo materia oscura. Quando in una galassia quel problema non c’è, però, queste teorie alternative non spiegano bene cosa sta succedendo in quella galassia. E quindi queste teorie sono potenzialmente nei guai.

In pratica, per quanto possa suonare bizzarro, l’esistenza di galassie come NGC1052-DF2 segnerebbe un punto a favore per modello cosmologico standard, quello dove ci mettiamo la materia oscura. Se il modello giusto è quello che prevede l’esistenza della materia oscura, allora insieme a galassie piene di materia oscura dobbiamo poter osservare anche galassie che ne sono prive (per esempio come risultato di interazioni tra altre galassie).

Prossimi passi

Ma non è finita. Il team guidato da van Dokkum è già all’opera con altre 23 altre galassie osservate dal Telescopio Spaziale Hubble. Si tratta di galassie che hanno qualche problema di carenza di materia oscura, proprio l’ideale per continuare a studiare meglio questo tipo di sistemi stellari e vedere quali sono le possibili conseguenze sul modo in cui crediamo funzioni l’universo, almeno per quanto riguarda la formazione delle galassie (ma questo poi ha implicazioni un po’ ovunque nella teoria). Il dibattito scientifico, insomma, prosegue come al solito.

Una cosa è certa: in questo universo, quando una teoria con la materia oscura incontra una teoria senza materia oscura…beh, il resto lo sapete ormai.

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