La Via Lattea è circondata da dozzine di galassie nane che si pensa siano reliquie delle primissime galassie dell'universo. Tra i più primitivi di questi fossili galattici c'è Tucana II, una galassia nana ultradebole di circa 50 kiloparsec, o 163, 000 anni luce, dalla Terra.

Ora gli astrofisici del MIT hanno rilevato stelle ai margini di Tucana II, in una configurazione sorprendentemente lontana dal suo centro, ma tuttavia coinvolta nell'attrazione gravitazionale della minuscola galassia. Questa è la prima prova che Tucana II ospita un esteso alone di materia oscura, una regione di materia legata alla gravità che i ricercatori hanno calcolato essere da tre a cinque volte più massiccia di quanto stimato dagli scienziati. Questa scoperta di stelle lontane in un'antica galassia nana implica che anche le primissime galassie nell'universo erano probabilmente estese e più massicce di quanto si pensasse in precedenza.

"Tucana II ha molta più massa di quanto pensassimo, per legare queste stelle tanto lontane, ", afferma lo studente laureato del MIT Anirudh Chiti. "Ciò significa che anche altre galassie prime reliquie hanno probabilmente questo tipo di aloni estesi".

I ricercatori hanno anche determinato che le stelle alla periferia di Tucana II sono più primitive delle stelle al centro della galassia. Questa è la prima prova di un tale squilibrio stellare in una galassia nana ultradebole.

La configurazione unica suggerisce che l'antica galassia potrebbe essere stata il prodotto di una delle prime fusioni nell'universo, tra due galassie infantili, una leggermente meno primitiva dell'altra.

"Potremmo assistere alla prima firma del cannibalismo galattico, "dice Anna Frebel, il Silverman Family Career Development Professore Associato di Fisica al MIT. "Una galassia potrebbe aver mangiato una delle sue leggermente più piccole, vicini più primitivi, che poi versò tutte le sue stelle nella periferia."

Frebel, Chiti, e i loro colleghi hanno pubblicato oggi i loro risultati in Astronomia della natura .

Galassie non così deboli

Tucana II è una delle galassie nane più primitive conosciute, in base al contenuto di metallo delle sue stelle. Le stelle con un basso contenuto di metalli probabilmente si sono formate molto presto, quando l'universo non stava ancora producendo elementi pesanti. Nel caso di Tucana II, gli astronomi avevano precedentemente identificato una manciata di stelle intorno al nucleo della galassia con un contenuto di metallo così basso che la galassia era considerata la più chimicamente primitiva delle note galassie nane ultradeboli.

Chiti e Frebel si chiedevano se l'antica galassia potesse ospitare altri, stelle ancora più vecchie, che potrebbe far luce sulla formazione delle prime galassie dell'universo. Per testare questa idea, hanno ottenuto osservazioni di Tucana II attraverso il telescopio SkyMapper, un telescopio ottico terrestre in Australia che offre ampie vedute del cielo meridionale.

Il team ha utilizzato un filtro di imaging sul telescopio per individuare i primitivi, stelle povere di metalli oltre il nucleo della galassia. Il team ha eseguito un algoritmo, sviluppato da Chiti, attraverso i dati filtrati per individuare in modo efficiente le stelle a basso contenuto di metalli, comprese le stelle precedentemente identificate al centro e nove nuove stelle molto più lontane dal nucleo galattico.

"L'analisi di Ani mostra una connessione cinematica, che queste stelle lontane si muovano di pari passo con le stelle interiori, come l'acqua del bagno che scende nello scarico, " aggiunge Frebel.

I risultati suggeriscono che Tucana II deve avere un alone di materia oscura esteso che è da tre a cinque volte più massiccio di quanto si pensasse in precedenza, per mantenere una presa gravitazionale su queste stelle lontane. La materia oscura è un ipotetico tipo di materia che si pensa costituisca più dell'85% dell'universo. Si pensa che ogni galassia sia tenuta insieme da una concentrazione locale, o aureola, di materia oscura.

"Senza materia oscura, le galassie voleranno semplicemente a pezzi, " Chiti. dice. "[La materia oscura] è un ingrediente cruciale nella creazione di una galassia e nel tenerla insieme".

I risultati del team sono la prima prova che una galassia nana ultradebole può ospitare un esteso alone di materia oscura.

"Questo probabilmente significa anche che le prime galassie si sono formate in aloni di materia oscura molto più grandi di quanto si pensasse in precedenza, " dice Frebel. "Abbiamo pensato che le prime galassie fossero le più piccole, galassie più deboli. Ma in realtà potrebbero essere state parecchie volte più grandi di quanto pensassimo, e non così piccolo, dopotutto."

"Una storia cannibale"

Chiti e Frebel hanno seguito i loro risultati iniziali con osservazioni di Tucana II prese dai telescopi Magellan in Cile. Con Magellano, il team si è concentrato sulle stelle povere di metalli della galassia per ricavarne le relative metallicità, e scoprì che le stelle esterne erano tre volte più povere di metalli, e quindi più primitivo, rispetto a quelli al centro.

"Questa è la prima volta che vediamo qualcosa che sembra una differenza chimica tra le stelle interne ed esterne in un'antica galassia, " dice Chiti.

Una probabile spiegazione per lo squilibrio potrebbe essere una fusione galattica precoce, in cui una piccola galassia, forse tra la prima generazione di galassie formatesi nell'universo, ha ingoiato un'altra galassia vicina. Questo cannibalismo galattico si verifica costantemente in tutto l'universo oggi, ma non era chiaro se le prime galassie si fondessero in modo simile.

"Tucana II finirà per essere mangiato dalla Via Lattea, nessuna pietà, " dice Frebel. "E si scopre che questa antica galassia potrebbe avere una sua storia cannibale".

Il team prevede di utilizzare il loro approccio per osservare altre galassie nane ultradeboli intorno alla Via Lattea, nella speranza di scoprire ancora più vecchio, stelle più lontane.

"Ci sono probabilmente molti più sistemi, forse tutti, che hanno queste stelle che lampeggiano nella loro periferia, "dice Frebel.