Quanto velocemente sta sfrecciando la materia oscura vicino alla Terra? La velocità della materia oscura ha conseguenze di vasta portata per la moderna ricerca astrofisica, ma questa proprietà fondamentale è sfuggita ai ricercatori per anni.

In un articolo pubblicato il 22 gennaio sulla rivista Lettere di revisione fisica , un team internazionale di astrofisici ha fornito il primo indizio:la soluzione a questo mistero, si scopre, giace tra alcune delle stelle più antiche della galassia.

"Essenzialmente, queste vecchie stelle fungono da tachimetri visibili per l'invisibile materia oscura, misurando la sua distribuzione della velocità vicino alla Terra, " disse Mariangela Lisanti, un assistente professore di fisica alla Princeton University. "Puoi pensare alle stelle più antiche come a un tracciante luminoso per la materia oscura. La stessa materia oscura non la vedremo mai, perché non emette luce in alcun modo osservabile, è semplicemente invisibile per noi, ecco perché è stato così difficile dire qualcosa di concreto al riguardo."

Per determinare quali stelle si comportano come le particelle di materia oscura invisibili e non rilevabili, Lisanti e i suoi colleghi si sono rivolti a una simulazione al computer, Eris, che utilizza i supercomputer per replicare la fisica della galassia della Via Lattea, compresa la materia oscura.

"La nostra ipotesi era che ci fosse un sottoinsieme di stelle che, per qualche ragione, abbinerà i movimenti della materia oscura, " disse Jonah Herzog-Arbeitman, uno studente universitario e un coautore del documento. Il suo lavoro con Lisanti e le sue colleghe l'estate dopo il suo primo anno a Princeton si è trasformato in uno dei suoi articoli per ragazzi e ha contribuito a questo articolo di giornale.

Herzog-Arbeitman e Lina Necib al California Institute of Technology, un altro coautore dell'articolo, ha generato numerosi grafici dai dati di Eris che hanno confrontato varie proprietà della materia oscura con le proprietà di diversi sottoinsiemi di stelle.

La loro grande svolta è arrivata quando hanno confrontato la velocità della materia oscura con quella delle stelle con diverse "metallicità, " o rapporti di metalli pesanti a elementi più leggeri.

La curva che rappresenta la materia oscura combaciava magnificamente con le stelle che hanno meno metalli pesanti:"Abbiamo visto tutto allinearsi, " disse Lisanti.

"Era uno di quei grandi esempi di un'idea abbastanza ragionevole che funzionava dannatamente bene, " disse Herzog-Arbeitman.

Gli astronomi sanno da decenni che la metallicità può fungere da proxy per l'età di una stella, poiché i metalli e altri elementi pesanti si formano nelle supernove e nelle fusioni di stelle di neutroni. Le piccole galassie che si sono fuse con la Via Lattea hanno tipicamente meno di questi elementi pesanti.

Ripensandoci, la correlazione tra la materia oscura e le stelle più antiche non dovrebbe sorprendere, disse Necib. "La materia oscura e queste vecchie stelle hanno le stesse condizioni iniziali:sono iniziate nello stesso posto e hanno le stesse proprietà... quindi alla fine della giornata, ha senso che entrambi subiscano l'azione solo per gravità, " lei disse.

Perchè importa

Dal 2009, i ricercatori hanno cercato di osservare direttamente la materia oscura, mettendo materiale molto denso, spesso xeno, in profondità nel sottosuolo e aspettando che la materia oscura che scorre attraverso il pianeta interagisca con esso.

Lisanti ha paragonato questi esperimenti di "rilevazione diretta" a un gioco di biliardo:"Quando una particella di materia oscura si disperde da un nucleo in un atomo, la collisione è simile a due palle da biliardo che si colpiscono. Se la particella di materia oscura è molto meno massiccia del nucleo, allora il nucleo non si muoverà molto dopo l'urto, il che rende davvero difficile notare che è successo qualcosa".

Ecco perché limitare la velocità della materia oscura è così importante, lei spiegò. Se le particelle di materia oscura sono sia lente che leggere, potrebbero non avere abbastanza energia cinetica per muovere le "palle da biliardo" nucleari, anche se vanno a ruba.

"Ma se la materia oscura entra in movimento più veloce, avrà più energia cinetica. Ciò può aumentare la possibilità che in quella collisione, il rinculo del nucleo sarà maggiore, così potresti vederlo, " disse Lisanti.

Originariamente, gli scienziati si aspettavano di vedere abbastanza interazioni tra particelle - abbastanza palle da biliardo in movimento - per essere in grado di derivare la massa e la velocità delle particelle di materia oscura. Ma, Lisanti ha detto, "non abbiamo ancora visto niente."

Quindi, invece di usare le interazioni per determinare la velocità, ricercatori come Lisanti e i suoi colleghi sperano di capovolgere il copione, e usa la velocità per spiegare perché gli esperimenti di rilevamento diretto non hanno ancora rilevato nulla.

Il fallimento, almeno finora, degli esperimenti di rilevamento diretto porta a due domande, disse Lisanti. "Come farò mai a capire quali sono le velocità di queste cose?" e "Non abbiamo visto nulla perché c'è qualcosa di diverso nella distribuzione della velocità di quanto ci aspettassimo?"

Avere un modo completamente indipendente per calcolare la velocità della materia oscura potrebbe aiutare a far luce su questo, lei disse. Ma così lontano, è solo teorico. L'astronomia del mondo reale non ha raggiunto la ricchezza di dati prodotti dalla simulazione di Eris, quindi Lisanti e i suoi colleghi non sanno ancora quanto velocemente si muovano le stelle più antiche della nostra galassia.

Fortunatamente, che le informazioni vengono raccolte proprio ora dal telescopio Gaia dell'Agenzia spaziale europea, che scansiona la Via Lattea da luglio 2014. Finora, sono state rilasciate informazioni solo su un piccolo sottoinsieme di stelle, ma il set di dati completo includerà molti più dati su quasi un miliardo di stelle.

"La ricchezza di dati all'orizzonte provenienti dai sondaggi stellari attuali e futuri fornirà un'opportunità unica per comprendere questa proprietà fondamentale della materia oscura, " disse Lisanti.