Un fermo immagine da una simulazione della formazione di strutture di materia oscura dall'universo primordiale fino ad oggi. La gravità fa ammassare la materia oscura in densi aloni, indicato da macchie luminose, dove si formano le galassie. In questa simulazione, un alone come quello che ospita le forme della Via Lattea, e un alone più piccolo che ricorda la Grande Nube di Magellano cade verso di essa. ricercatori SLAC e Stanford, lavorando con i collaboratori della Dark Energy Survey, hanno utilizzato simulazioni come queste per comprendere meglio la connessione tra materia oscura e formazione di galassie. Credito:Ralf Kaehler/SLAC National Accelerator Laboratory
Proprio come il sole ha pianeti e i pianeti hanno lune, la nostra galassia ha galassie satellite, e alcuni di questi potrebbero avere galassie satellite più piccole. Vale a dire, la Grande Nube di Magellano (LMC), una galassia satellite relativamente grande visibile dall'emisfero australe, si pensa che abbia portato con sé almeno sei delle sue galassie satelliti quando si è avvicinato per la prima volta alla Via Lattea, sulla base di recenti misurazioni della missione Gaia dell'Agenzia spaziale europea.
Gli astrofisici credono che la materia oscura sia responsabile di gran parte di quella struttura, e ora i ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e del Dark Energy Survey hanno attinto alle osservazioni di deboli galassie intorno alla Via Lattea per porre vincoli più stretti alla connessione tra le dimensioni e la struttura delle galassie e gli aloni di materia oscura che le circondano . Allo stesso tempo, hanno trovato più prove dell'esistenza delle galassie satellite LMC e hanno fatto una nuova previsione:se i modelli degli scienziati sono corretti, la Via Lattea dovrebbe avere altre 150 o più galassie satellite molto deboli in attesa di essere scoperte da progetti di prossima generazione come il Legacy Survey of Space and Time dell'Osservatorio Vera C. Rubin.
Il nuovo studio, imminente nel Giornale Astrofisico e disponibile come prestampa qui, fa parte di uno sforzo più ampio per capire come funziona la materia oscura su scale più piccole della nostra galassia, disse Ethan Nadler, il primo autore dello studio e uno studente laureato presso il Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) e la Stanford University.
"Sappiamo molto bene alcune cose sulla materia oscura:quanta materia oscura c'è, come si raggruppa, ma tutte queste affermazioni sono qualificate dicendo:sì, è così che si comporta su scale maggiori delle dimensioni del nostro gruppo locale di galassie, " Nadler ha detto. "E poi la domanda è, funziona sulle scale più piccole che possiamo misurare?"
La luce splendente delle galassie sulla materia oscura
Gli astronomi sanno da tempo che la Via Lattea ha galassie satellite, inclusa la Grande Nube di Magellano, che può essere visto ad occhio nudo dall'emisfero australe, ma si pensava che il numero fosse solo una dozzina o giù di lì fino all'anno 2000 circa. Da allora, il numero di galassie satellitari osservate è aumentato drammaticamente. Grazie allo Sloan Digital Sky Survey e alle scoperte più recenti di progetti tra cui il Dark Energy Survey (DES), il numero di galassie satellite conosciute è salito a circa 60.
Tali scoperte sono sempre entusiasmanti, ma la cosa forse più eccitante è ciò che i dati potrebbero dirci sul cosmo. "Per la prima volta, possiamo cercare queste galassie satellite in circa tre quarti del cielo, e questo è davvero importante per diversi modi di conoscere la materia oscura e la formazione delle galassie, " ha detto Risa Wechsler, direttore di KIPAC. L'anno scorso, Per esempio, Wechsler, Nadler e colleghi hanno utilizzato i dati sulle galassie satellitari in combinazione con simulazioni al computer per porre limiti molto più stretti alle interazioni della materia oscura con la materia ordinaria.
Ora, Wechsler, Nadler e il team DES stanno utilizzando i dati di una ricerca completa sulla maggior parte del cielo per porre domande diverse, inclusa la quantità di materia oscura necessaria per formare una galassia, quante galassie satellite dovremmo aspettarci di trovare intorno alla Via Lattea e se le galassie possono portare i propri satelliti in orbita attorno alla nostra, una previsione chiave del modello più popolare di materia oscura.
Cenni di gerarchia galattica
La risposta a quest'ultima domanda sembra essere un sonoro "sì".
La possibilità di rilevare una gerarchia di galassie satellite è emersa per la prima volta alcuni anni fa, quando DES ha rilevato più galassie satellitari nelle vicinanze della Grande Nube di Magellano di quanto si sarebbe aspettato se quei satelliti fossero stati distribuiti casualmente in tutto il cielo. Queste osservazioni sono particolarmente interessanti, Nadler ha detto, alla luce delle misurazioni di Gaia, che indicava che sei di queste galassie satellite sono cadute nella Via Lattea con l'LMC.
Per studiare i satelliti di LMC in modo più approfondito, Nadler e il team hanno analizzato simulazioni al computer di milioni di possibili universi. Quelle simulazioni, originariamente gestito da Yao-Yuan Mao, un ex studente laureato di Wechsler che ora è alla Rutgers University, modellare la formazione della struttura della materia oscura che permea la Via Lattea, inclusi dettagli come piccoli gruppi di materia oscura all'interno della Via Lattea che dovrebbero ospitare galassie satellitari. Per collegare la materia oscura alla formazione delle galassie, i ricercatori hanno utilizzato un modello flessibile che consente loro di tenere conto delle incertezze nell'attuale comprensione della formazione delle galassie, compresa la relazione tra la luminosità delle galassie e la massa di ammassi di materia oscura all'interno della quale si formano.
Uno sforzo guidato dagli altri del team DES, compresi gli ex studenti KIPAC Alex Drlica-Wagner, un Wilson Fellow al Fermilab e un assistente professore di astronomia e astrofisica all'Università di Chicago, e Keith Bechtol, un assistente professore di fisica presso l'Università del Wisconsin-Madison, e i loro collaboratori hanno prodotto il passaggio finale cruciale:un modello di cui le galassie satellite hanno maggiori probabilità di essere viste dalle indagini attuali, data la loro posizione nel cielo e la loro luminosità, dimensione e distanza.
Quei componenti in mano, il team ha eseguito il modello con un'ampia gamma di parametri e ha cercato simulazioni in cui oggetti simili a LMC cadessero nell'attrazione gravitazionale di una galassia simile alla Via Lattea. Confrontando questi casi con le osservazioni galattiche, potrebbero dedurre una serie di parametri astrofisici, incluso il numero di galassie satellite che avrebbero dovuto essere etichettate insieme all'LMC. I risultati, Nadler ha detto, erano coerenti con le osservazioni di Gaia:sei galassie satellite dovrebbero essere attualmente rilevate nelle vicinanze del LMC, muovendosi all'incirca con le giuste velocità e all'incirca negli stessi luoghi osservati in precedenza dagli astronomi. Le simulazioni hanno anche suggerito che la LMC si sia avvicinata per la prima volta alla Via Lattea circa 2,2 miliardi di anni fa, coerente con misurazioni ad alta precisione del movimento del LMC dal telescopio spaziale Hubble.
Galassie ancora invisibili
Oltre ai risultati di LMC, il team ha anche posto dei limiti alla connessione tra gli aloni di materia oscura e la struttura delle galassie. Per esempio, nelle simulazioni che più si avvicinavano alla storia della Via Lattea e della LMC, le galassie più piccole che gli astronomi potrebbero attualmente osservare dovrebbero avere stelle con una massa combinata di circa cento soli, e circa un milione di volte più materia oscura. Secondo un'estrapolazione del modello, le galassie più deboli che potrebbero mai essere osservate potrebbero formarsi in aloni fino a cento volte meno massicci di quello.
E potrebbero esserci altre scoperte in arrivo:se le simulazioni sono corrette, Nadler ha detto, ci sono circa 100 galassie satelliti in più, più del doppio del numero già scoperto, che si aggirano intorno alla Via Lattea. La scoperta di quelle galassie aiuterebbe a confermare il modello dei ricercatori dei legami tra materia oscura e formazione di galassie, Egli ha detto, e probabilmente porre vincoli più stretti alla natura della materia oscura stessa.
La ricerca è stata uno sforzo collaborativo all'interno del Dark Energy Survey, guidato dal Milky Way Working Group, con contributi sostanziali da membri junior tra cui Sidney Mau, uno studente universitario presso l'Università di Chicago, e Mitch McNanna, uno studente laureato alla UW-Madison. La ricerca è stata supportata da una borsa di studio per laureati della National Science Foundation, dall'Ufficio di Scienze del Dipartimento di Energia attraverso SLAC, e dalla Stanford University.
