Una nuova tecnica per stimare la massa delle galassie promette risultati più affidabili, soprattutto se applicato a grandi insiemi di dati generati da indagini attuali e future, secondo un gruppo di ricerca guidato da Ekta Patel presso l'Università dell'Arizona. Pubblicato in Giornale Astrofisico , lo studio è il primo a combinare i moti tridimensionali osservati di diverse galassie satellite della Via Lattea con ampie simulazioni al computer per ottenere una stima ad alta precisione per la massa della nostra galassia.

La determinazione della massa delle galassie gioca un ruolo cruciale nel svelare i misteri fondamentali sull'architettura dell'universo. Secondo gli attuali modelli cosmologici, la materia visibile di una galassia, come le stelle, gas e polvere, rappresenta solo il 15% della sua massa. Si ritiene che il restante 85% risieda nella materia oscura, un componente misterioso che non è mai stato osservato e le cui proprietà fisiche rimangono in gran parte sconosciute. La stragrande maggioranza della massa di una galassia (principalmente materia oscura) si trova nel suo alone, un vasto, regione circostante contenente pochi, se del caso, stelle e la cui forma è in gran parte sconosciuta.

In un modello cosmologico ampiamente accettato, filamenti di materia oscura abbracciano l'intero universo, attirando con sé materia luminosa ("regolare"). Dove si intersecano, gas e polvere si accumulano e si fondono in galassie. Nel corso di miliardi di anni, piccole galassie si fondono per formarsi in galassie più grandi, e man mano che crescono di dimensioni e la loro attrazione gravitazionale si estende sempre più nello spazio, attirano uno zoo di altre piccole galassie, che poi diventano galassie satellite. Le loro orbite sono determinate dalla loro galassia ospite, proprio come l'attrazione gravitazionale del sole dirige il movimento dei pianeti e dei corpi nel sistema solare.

"Ora sappiamo che l'universo si sta espandendo, "dice Patel, uno studente laureato del quarto anno presso il Dipartimento di Astronomia e Osservatorio Steward dell'UA. "Ma quando due galassie si avvicinano abbastanza, la loro reciproca attrazione è maggiore dell'influenza dell'universo in espansione, così iniziano a orbitare l'uno attorno all'altro attorno a un centro comune, come la nostra Via Lattea e il nostro prossimo più prossimo, la Galassia di Andromeda".

Sebbene Andromeda si stia avvicinando alla Via Lattea a 110 chilometri al secondo, i due non si fonderanno fino a circa 4,5 miliardi di anni da oggi. Secondo Patel, tracciare il movimento di Andromeda è "equivalente a guardare un capello umano crescere alla distanza della luna".

Perché è impossibile "pesare" una galassia semplicemente guardandola, tanto meno quando l'osservatore si trova al suo interno, come nel caso della nostra Via Lattea:i ricercatori deducono la massa di una galassia studiando i movimenti degli oggetti celesti mentre danzano intorno alla galassia ospite, guidato dalla sua attrazione gravitazionale. Tali oggetti, detti anche traccianti, perché tracciano la massa della loro galassia ospite, possono essere galassie satellite o flussi di stelle creati dalla dispersione di ex galassie che si sono avvicinate troppo per rimanere intatte.

A differenza dei metodi precedenti comunemente usati per stimare la massa di una galassia, come misurare le velocità e le posizioni dei suoi traccianti, l'approccio sviluppato da Patel e dai suoi coautori utilizza il loro momento angolare, che produce risultati più affidabili perché non cambia nel tempo. Il momento angolare di un corpo nello spazio dipende sia dalla sua distanza che dalla sua velocità. Poiché le galassie satellite tendono a muoversi intorno alla Via Lattea in orbite ellittiche, le loro velocità aumentano man mano che si avvicinano alla nostra galassia e diminuiscono man mano che si allontanano. Poiché il momento angolare è il prodotto di posizione e velocità, non vi è alcun cambiamento netto indipendentemente dal fatto che il tracciante si trovi nella sua posizione più vicina o più lontana nella sua orbita.

"Pensa a un pattinatore artistico che fa una piroetta, " Dice Patel. "Mentre si disegna tra le sue braccia, lei gira più velocemente. In altre parole, la sua velocità cambia, ma il suo momento angolare rimane lo stesso per tutta la durata del suo atto."

Lo studio, che Patel presenta giovedì, 7 giugno al 232° meeting dell'American Astronomical Society a Denver, è il primo a guardare contemporaneamente i moti tridimensionali completi di nove delle 50 galassie satelliti conosciute della Via Lattea e confrontare le loro misurazioni del momento angolare con un universo simulato contenente un totale di 20, 000 galassie ospiti che assomigliano alla nostra galassia. Insieme, queste galassie simulate ospitano circa 90, 000 galassie satellite.

Il team di Patel ha individuato la massa della Via Lattea a 0,96 trilioni di masse solari. Stime precedenti avevano posto la massa della nostra galassia tra 700 miliardi e 2 trilioni di masse solari. I risultati rafforzano anche le stime che suggeriscono che la Galassia di Andromeda (M31) è più massiccia della nostra Via Lattea.

Gli autori sperano di applicare il loro metodo ai dati in continua crescita man mano che diventano disponibili da indagini galattiche attuali e future come l'osservatorio spaziale Gaia e LSST, il Large Synoptic Survey Telescope. Secondo la coautrice Gurtina Besla, un assistente professore di astronomia presso l'UA, i vincoli sulla massa della Via Lattea miglioreranno man mano che si ottengono nuove osservazioni che misurano la velocità di più galassie satellite, e poiché le simulazioni di nuova generazione forniranno una risoluzione più elevata, consentendo agli scienziati di ottenere statistiche migliori per i traccianti di massa più piccoli, le cosiddette galassie ultra-deboli.

"Il nostro metodo ci consente di sfruttare le misurazioni della velocità di più galassie satellitari contemporaneamente per ottenere una risposta a ciò che la teoria della materia oscura fredda prevederebbe in modo robusto per la massa dell'alone della Via Lattea, " Dice Besla. "È perfettamente adatto per trarre vantaggio dall'attuale rapida crescita sia dei set di dati osservativi che delle capacità numeriche".