Una vista composita della magnifica galassia Centaurus A, la galassia attiva più vicina alla Via Lattea. 16 galassie satelliti sono state misurate attorno a questa galassia, 14 delle quali sembrano trovarsi su un piano co-rotante, sfidando l'ingenua aspettativa di simulazioni di materia oscura fredda. Credito di immagine: ESO / WFI (ottico); MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss et al. (Submillimetrica); NASA / CXC / CfA / R.Kraft et al. (Raggi X).

Le galassie satelliti vivono nello stesso piano dei loro ospiti, sfidando le previsioni della materia oscura

Ma è davvero un problema per la teoria? O è la fisica in soccorso?

La materia oscura è una delle idee più potenti, ma anche una delle più controverse, della fisica moderna. Vediamo prove indiscutibili che la materia normale presente nell'Universo, costituita da protoni, neutroni ed elettroni, non può spiegare da sola l'intera serie di effetti gravitazionali. L'aggiunta di una fonte aggiuntiva di massa con proprietà particolari, cioè la materia oscura, porta quasi tutte le previsioni della gravitazione in linea con ciò che vediamo. Eppure una delle previsioni della materia oscura è che piccole galassie satellite nane dovrebbero formarsi in un grande alone attorno a grandi galassie. Eppure intorno alla Via Lattea, Andromeda e ora Centaurus A, non vivono in un alone, ma piuttosto in un disco. I ricercatori che fanno l'ultimo studio affermano che questa è una grande sfida al quadro standard della cosmologia della materia oscura fredda (CDM). Ma è davvero? Scoprirlo richiede uno sguardo approfondito.

Uno sguardo dettagliato all'Universo rivela che è fatto di materia e non di antimateria, che la materia oscura e l'energia oscura sono necessarie e che non conosciamo l'origine di nessuno di questi misteri. Credito d'immagine: Chris Blake e Sam Moorfield.

Ogni volta che hai una teoria che è convincente, semplice, risolve una miriade di problemi, ma la cui previsione fondamentale può essere rilevata solo indirettamente, è inevitabile che abbia dei contraccolpi. L'inflazione cosmica, ad esempio, spiega l'origine del nostro Universo, ma oggi si possono vedere solo i suoi effetti rimanenti. L'energia oscura spiega perfettamente l'espansione accelerata dell'Universo, ma non è noto alcun modo per sondare la sua causa sottostante. E la materia oscura, frustrante, spiega un'intera serie di osservazioni cosmologiche, dalla dinamica delle singole galassie alla rete cosmica su larga scala alle fluttuazioni del bagliore residuo del Big Bang. Ma nessuno ha mai rilevato direttamente una particella di materia oscura. Probabilmente nessuno si avvicina nemmeno. Tuttavia, ciò non significa che la materia oscura non sia reale; significa che dobbiamo essere estremamente attenti nelle nostre analisi.

Secondo modelli e simulazioni, tutte le galassie dovrebbero essere incorporate negli aloni della materia oscura, le cui densità raggiungono il picco nei centri galattici. Tuttavia, ci si aspetta che sia presente un gran numero di ciuffi di sotto-alone, nascondendo al suo interno galassie in miniatura. La loro distribuzione dovrebbe essere simile a un alone, non simile a un disco. Credito d'immagine: NASA, ESA e T. Brown e J. Tumlinson (STScI).

Il problema della galassia satellitare è un vero enigma, poiché è coinvolta molta fisica complessa. Quando esegui una simulazione della materia oscura, è una caratteristica universale che, nel tempo, costruisci grandi aloni di materia oscura che si fondono insieme, corrispondenti alla grande spirale e alle galassie ellittiche che conosciamo oggi. Ma intorno a loro ci sono sotto-aloni più piccoli, che appaiono, in simulazioni, a tutti gli orientamenti attorno alla galassia più grande. In pratica, tuttavia, le piccole galassie satellitari che vediamo effettivamente si manifestano su un piano: lo stesso piano orbitale in cui si trova il disco della galassia principale.

Le galassie nane trovate in orbita attorno al Centaurus Una galassia mostrano un chiaro orientamento nel piano della galassia, una sfida che le teorie CDM spiegano. Immagine di credito: O. Muller et al., Science 359, 6375 (2018).

Inoltre, mentre l'ingenua aspettativa è che queste galassie nane esibiranno anche movimenti casuali, ciò che osserviamo mostra prove significative che questi satelliti stanno co-ruotando con la galassia principale stessa. Questo è stato trovato prima per la Via Lattea e Andromeda, e nuove ricerche indicano che questo vale anche per Centaurus A, con 14 delle 16 galassie satellitari scoperte che sembrano co-ruotare insieme alla galassia centrale.

O qualcosa nasconde questi aloni, qualcosa non va nelle simulazioni, o qualcosa non è completamente giustificato dalla materia oscura. Diamo un'occhiata a ciascuna delle possibilità.

Solo circa 1000 stelle sono presenti in tutte le galassie nane Segue 1 e Segue 3, che ha una massa gravitazionale di 600.000 soli. Le stelle che compongono il satellite nano Segue 1 sono cerchiate qui. Credito d'immagine: Marla Geha e Keck Observatories.

1.) Questi aloni sono reali, ma i satelliti nani fuori disco sono troppo difficili da vedere. Il problema del satellite mancante è di vecchia data nella cosmologia, poiché le simulazioni del CDM hanno da tempo indicato molte più galassie nane attorno alle grandi galassie di quanto abbiamo scoperto. Recentemente, sono stati trovati un numero significativo di galassie nane ultra deboli, per lo più nelle vicinanze. Sono più deboli anche dei gruppi di stelle aperte trovati nella Via Lattea, con molti che contengono solo centinaia di stelle, nonostante le masse di materia oscura nelle centinaia di migliaia di masse solari. Tuttavia, questo non spiega completamente il problema dell'orientamento, in quanto il piano sembra essere reale.

Inoltre, l'argomento secondo cui questi nani sarebbero nascosti dovrebbe applicarsi solo alla Via Lattea, poiché solo il suo piano oscurerà i satelliti. L'osservazione dei satelliti di Centaurus A e Andromeda sembra porre fine a questo. Ci sono argomenti per stabilire se tutti i piani osservati siano dinamicamente stabili su lunghe scale temporali, ma non sembra che i piccoli nani mancanti possano spiegare l'allineamento planare inaspettato.

Proiezione su larga scala attraverso il volume di Illustris a z = 0, centrata sul cluster più massiccio, profondo 15 Mpc / h. Mostra la densità della materia oscura (a sinistra) che passa alla densità del gas (a destra). La struttura su larga scala dell'Universo non può essere spiegata senza la materia oscura, sebbene esistano molti tentativi di gravità modificati. Strutture su scala più piccola, tuttavia, spesso creano problemi per le simulazioni della materia oscura. Credito immagine: Illustris Collaboration / Illustris Simulation.

2.) Le simulazioni che prevedono una distribuzione simile ad aloni dei satelliti sono imperfette. Questa è una potenziale spiegazione che dovrebbe essere presa molto sul serio. Esistono molti processi in atto nell'evoluzione galattica, tra cui fusioni di galassie più piccole per costruire quelle più grandi, lanciando materia su queste galassie e flussi di materia oscura e normale lungo i filamenti cosmici. Questi filamenti sono noti per funzionare come una sorta di autostrada galattica, incanalando piccole galassie su quelle più grandi per miliardi di anni. Inoltre, ci sono effetti di feedback derivanti dalla formazione stellare e l'interazione di gas, plasma e radiazione può svolgere un ruolo che non è ben spiegato nelle simulazioni CDM standard. La distribuzione simile ad un alone potrebbe non essere una caratteristica generica, dopo tutto, quando tutti questi altri effetti fisici sono considerati.

Come si vede alla luce visibile, la galassia Centaurus A sembra un mix di una galassia dominata dal disco e una ellittica. Le osservazioni dei satelliti che lo orbitano attorno, tuttavia, sfidano la spiegazione convenzionale del CDM, indipendentemente da come la tagli. Credito immagine: Christian Wolf & SkyMapper Team / Australian National University.

3.) C'è qualcosa che non va nell'idea stessa della materia oscura. L'importanza relativa degli effetti fisici sopra elencati, tuttavia, è oggetto di accesi dibattiti. Come notano gli stessi autori del nuovo articolo: “Sebbene scopriamo che la cinematica del [Centaurus] A è improbabile che i satelliti A si verifichino per caso, ciò non ci consente immediatamente di trarre conclusioni sul suo accordo con le previsioni della [materia oscura fredda ] cosmologia ". Le simulazioni più moderne non riescono a riprodurre ciò che si osserva intorno alle galassie come Centaurus A, la Via Lattea e Andromeda, e gli autori del presente documento affermano che questa tensione, quindi, favorisce un'alternativa alla spiegazione della materia oscura. È eminentemente possibile, come suggerito dagli autori, che questi satelliti emergano da un'importante fusione storica tra due galassie di dimensioni comparabili. Anche questa è una possibilità molto dibattuta, ma interessante.

Le fusioni di galassie sono comuni e, con il passare del tempo, tutte le galassie legate gravitazionalmente in gruppi e ammassi alla fine si uniranno in un'unica galassia al centro di ogni struttura legata. Quando si verificano importanti fusioni, il risultato è spesso una gigantesca ellittica, ma nessuno è certo di cosa accada per quanto riguarda le galassie satellitari nane. Credito immagine: A. Gai-Yam / Weizmann Inst. of Science / ESA / NASA.

Ogni prospettiva ha alcune prove a supporto, ma è abbastanza chiaro che la previsione di una distribuzione simile ad un alone di tutti tranne i satelliti più piccoli non è ciò che l'Universo ci dà. Per tre grandi galassie, ora - la Via Lattea, Andromeda e Centaurus A - i fatti osservativi sembrano mostrare che le galassie satellitari nane compaiono su un piano che circonda queste grandi. Inoltre, ci sono prove suggestive che queste galassie nane sono in movimento insieme alla rotazione della grande galassia. Tuttavia, quando guardi l'Universo vicino, c'è un fattore importante in gioco: ci sono flussi locali di materia, sia normali che oscuri, anche su queste galassie. Se c'è una direzione preferenziale su come la materia cade in queste galassie, dovrebbe esserci una direzione preferenziale per i satelliti nani che si legano a loro.

La figura mostra l'attuale flusso di galassie - il flusso lungo nella superautostrada cosmica e sul ponte verso la Vergine, nella regione intorno alla Via Lattea, Andromeda e Centaurus A. Credito immagine: 'Planes of Satellite Galaxies and the Cosmic Web ,

Nel 2015, un team guidato da Noam Libeskind ha scoperto questo effetto esatto. "Questa è la prima volta che abbiamo avuto una verifica osservazionale che le grandi superstrade filamentose convogliano galassie nane attraverso il cosmo lungo magnifici ponti di materia oscura", ha detto Libeskind in quel momento. Ora, quasi tre anni dopo, il quadro è confermato con dati migliori con precisione ancora maggiore. Non ci sono ulteriori indicazioni che la materia oscura sia più o meno probabile di quanto non fosse in precedenza da questo nuovo studio. Tuttavia, questo team attuale è più scettico sul CDM in generale e più incline a cercare spiegazioni alternative, come le maggiori fusioni, per l'origine dei satelliti in aereo.

Quattro ammassi di galassie in collisione, che mostrano la separazione tra raggi X (rosa) e gravitazione (blu), indicativo della materia oscura. Su larga scala, il CDM è necessario, ma su piccola scala, non ha successo da solo come vorremmo. Credito immagine: radiografia: NASA / CXC / UVic. / A.Mahdavi et al. Ottico / lente: CFHT / UVic. / A. Mahdavi et al. (in alto a sinistra); Raggi X: NASA / CXC / UCDavis / W.Dawson et al .; Ottico: NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson et al. (in alto a destra); ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Milano, Italia) / CFHTLS (in basso a sinistra); Radiografia: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara) e S. Allen (Stanford University) (in basso a destra).

In un'intervista con il coautore dello studio Marcel Pawlowski dell'Università della California, Irvine, ha riferito quanto segue:

“Su larga scala, [CDM] ha davvero successo. Penso che, in generale, dovremmo diventare più diversificati nei nostri approcci. MOND, d'altra parte, ha molto successo nel predire le dinamiche su piccola scala. Sono davvero entusiasta delle possibilità che combinano i successi di entrambi. La materia oscura superfluida è una possibilità così interessante, che ti dà i successi su larga scala della materia oscura, ma riproduce anche un effetto MOND su piccole scale. Penso che dovremmo incoraggiare e approfondire ulteriormente queste possibilità. Non credo che dovremmo rinunciare a nulla, ma penso che il campo dovrebbe perseguire questi approcci alternativi. "

Tuttavia, proprio come la scoperta che elementi pesanti sono stati fatti nelle stelle, piuttosto che nell'universo primordiale, non ha invalidato il Big Bang, è possibile che due prospettive in competizione siano entrambe corrette. È possibile che la materia barionica che produce galassie fluisca sulle galassie attraverso i percorsi filamentosi, che il CDM sia responsabile della struttura e delle caratteristiche su larga scala dell'Universo, e anche che questi satelliti nani derivino dalle stesse fusioni principali, non dalle previsioni di CDM. Se così fosse, ci aspetteremmo che le galassie "splashback" siano dominate dai barioni, non dalla materia oscura. È interessante notare che le galassie satellitari nane mostrano un mix: in alcuni casi, i risultati concordano con la previsione degli aloni CDM, mentre in altri le previsioni CDM sembrano sovrastimare gravemente la massa di materia oscura. Un modello unificato, che rappresenta l'intera serie di osservazioni, ci sfugge ancora.

Immagini fisse diverse da una simulazione della fusione della Via Lattea e delle galassie di Andromeda. Quando si verifica una fusione importante come questa, può accadere che venga sollevata una grande quantità di detriti, creando galassie satellitari dominate dalla materia normale. Credito d'immagine: NASA, ESA, Z. Levay, R. van der Marel, T. Hallas e A. Mellinger.

Quindi chi ha ragione? Man mano che le simulazioni migliorano quando si aggiungono ulteriori dinamiche come interazioni materia oscura / radiazione / materia normale, feedback sulla formazione di stelle, effetti peculiari della velocità locale e altro, si abbinano meglio con le osservazioni, ma ancora non perfettamente e certamente non universalmente. D'altra parte, le alternative alla materia oscura subiscono ancora gli stessi fallimenti quando si tenta di riprodurre la rete cosmica, il fondo cosmico a microonde o la dinamica degli ammassi di galassie in collisione. Tuttavia, è importante mantenere una mente aperta fintanto che mancano le prove della pistola fumante per il CDM, e anche ricordare che questo è un enigma che può dire di più sull'evoluzione della galassia e sulle fusioni piuttosto che sulla materia oscura. Come afferma Michael Boylan-Kolchin, "I risultati possono portare a una migliore comprensione della formazione della galassia all'interno del modello [materia oscura fredda] o una spinta a rovesciare i suoi presupposti sottostanti".

A causa della serie completa dei suoi successi su tutte le scale, la materia oscura è qui per rimanere, almeno per il momento. Tuttavia, la formazione e l'evoluzione delle galassie, in particolare su scale sempre più piccole, rimarranno un'area di ricerca attiva con molti enigmi irrisolti per gli anni a venire.

Starts With A Bang è ora su Forbes e ripubblicato su Medium grazie ai nostri sostenitori di Patreon. Ethan ha scritto due libri, Beyond The Galaxy e Treknology: The Science of Star Trek da Tricorders a Warp Drive.