Gli astronomi che utilizzano i dati della NASA e dei telescopi dell'ESA (Agenzia spaziale europea) hanno rilasciato una nuova mappa di tutto il cielo della regione più esterna della nostra galassia. Conosciuto come l'alone galattico, quest'area si trova al di fuori dei vorticosi bracci a spirale che formano il riconoscibile disco centrale della Via Lattea ed è scarsamente popolata di stelle. Sebbene l'alone possa sembrare per lo più vuoto, si prevede anche che contenga un enorme serbatoio di materia oscura, una sostanza misteriosa e invisibile pensata per costituire la maggior parte di tutta la massa nell'universo.

I dati per la nuova mappa provengono dalla missione Gaia dell'ESA e dal Near Earth Object Wide Field Infrared Survey Explorer della NASA, o NEOWISE, che ha operato dal 2009 al 2013 sotto il moniker WISE. Lo studio, guidato da astronomi presso il Centro di Astrofisica | Harvard &Smithsonian e pubblicato oggi in Natura , utilizza i dati raccolti dal veicolo spaziale tra il 2009 e il 2018.

La nuova mappa rivela come una piccola galassia chiamata Large Magellanic Cloud (LMC) - così chiamata perché è la più grande di due galassie nane che orbitano attorno alla Via Lattea - ha navigato attraverso l'alone galattico della Via Lattea come una nave nell'acqua, la sua gravità creando una scia nelle stelle dietro di esso. Il LMC si trova a circa 160, 000 anni luce dalla Terra, ed è meno di un quarto della massa della Via Lattea. Sebbene le parti interne dell'alone siano state mappate con un alto livello di precisione, questa è la prima mappa a fornire un'immagine simile delle regioni esterne dell'alone, dove si trova la scia - circa 200, 000 anni luce a 325, 000 anni luce dal centro galattico. Precedenti studi hanno suggerito l'esistenza della scia, ma la mappa all-sky conferma la sua presenza e offre una visione dettagliata della sua forma, dimensione, e posizione.

Questo disturbo nell'alone offre anche agli astronomi l'opportunità di studiare qualcosa che non possono osservare direttamente:la materia oscura. Anche se non emette, riflettere, o assorbire la luce, l'influenza gravitazionale della materia oscura è stata osservata in tutto l'universo. Si pensa di creare un'impalcatura su cui sono costruite le galassie, tale che senza di essa, le galassie voleranno via mentre ruotano. Si stima che la materia oscura sia cinque volte più comune nell'universo di tutta la materia che emette o interagisce con la luce, dalle stelle ai pianeti alle nuvole di gas.

Mentre ci sono diverse teorie sulla natura della materia oscura, tutti indicano che dovrebbe essere presente nell'alone della Via Lattea. Se è il caso, poi mentre l'LMC naviga attraverso questa regione, dovrebbe lasciare una scia anche nella materia oscura. Si pensa che la scia osservata nella nuova mappa stellare sia il contorno di questa scia di materia oscura; le stelle sono come foglie sulla superficie di questo oceano invisibile, la loro posizione si sposta con la materia oscura.

L'interazione tra la materia oscura e la Grande Nube di Magellano ha grandi implicazioni per la nostra galassia. Mentre l'LMC orbita intorno alla Via Lattea, la gravità della materia oscura trascina l'LMC e lo rallenta. Questo farà sì che l'orbita della galassia nana diventi sempre più piccola, fino a quando la galassia alla fine si scontra con la Via Lattea in circa 2 miliardi di anni. Questi tipi di fusioni potrebbero essere un fattore chiave nella crescita di enormi galassie in tutto l'universo. Infatti, gli astronomi pensano che la Via Lattea si sia fusa con un'altra piccola galassia circa 10 miliardi di anni fa.

"Questo furto dell'energia di una galassia più piccola non è solo il motivo per cui la LMC si sta fondendo con la Via Lattea, ma anche perché avvengono tutte le fusioni di galassie, " disse Rohan Naidu, uno studente laureato in astronomia all'Università di Harvard e coautore del nuovo articolo. "La scia nella nostra mappa è una conferma davvero precisa che la nostra immagine di base su come si fondono le galassie è perfetta!"

Un'opportunità rara

Gli autori dell'articolo pensano anche che la nuova mappa, insieme a dati aggiuntivi e analisi teoriche, possa fornire un test per diverse teorie sulla natura della materia oscura, ad esempio se è costituito da particelle, come materia normale, e quali sono le proprietà di quelle particelle.

"Puoi immaginare che la scia dietro una barca sarà diversa se la barca sta navigando nell'acqua o nel miele, ", ha affermato il coautore dello studio Charlie Conroy, professore all'Università di Harvard e astronomo al Center for Astrophysics. "In questo caso, le proprietà della scia sono determinate dalla teoria della materia oscura che applichiamo."

Conroy ha guidato la squadra che ha mappato le posizioni di oltre 1, 300 stelle nell'alone. La sfida è nata nel tentativo di misurare la distanza esatta dalla Terra a gran parte di quelle stelle:spesso è impossibile capire se una stella è debole e vicina o luminosa e lontana. Il team ha utilizzato i dati della missione Gaia dell'ESA, che fornisce la posizione di molte stelle nel cielo ma non può misurare le distanze dalle stelle nelle regioni esterne della Via Lattea.

Dopo aver identificato le stelle molto probabilmente situate nell'alone (perché non erano ovviamente all'interno della nostra galassia o nel LMC), il team ha cercato stelle che appartengono a una classe di stelle giganti che hanno una specifica "firma" luminosa rilevabile da NEOWISE. Conoscere le proprietà di base delle stelle selezionate ha permesso al team di calcolare la loro distanza dalla Terra e creare la nuova mappa. Traccia una regione a partire da circa 200, 000 anni luce dal centro della Via Lattea, o su dove si prevedeva che iniziasse la scia del LMC, e si estende per circa 125, 000 anni luce oltre.

Conroy e i suoi colleghi sono stati ispirati a cercare la scia di LMC dopo aver appreso di un team di astrofisici dell'Università dell'Arizona a Tucson che realizza modelli al computer che prevedono come dovrebbe apparire la materia oscura nell'alone galattico. I due gruppi hanno lavorato insieme al nuovo studio. Uno dei modelli del team Arizona, che è nel nuovo studio, predisse la struttura generale e la posizione specifica della scia stellare rivelata nella nuova mappa. Una volta che i dati avevano confermato che il modello era corretto, il team è stato in grado di confermare ciò a cui hanno accennato anche altre indagini:che l'LMC è probabilmente sulla sua prima orbita attorno alla Via Lattea. Se la galassia più piccola avesse già compiuto orbite multiple, la forma e la posizione della scia sarebbero significativamente differenti da quanto osservato. Gli astronomi pensano che l'LMC si sia formato nello stesso ambiente della Via Lattea e di un'altra galassia vicina, M31, ed era su una prima orbita molto lunga intorno alla nostra galassia (circa 13 miliardi di anni). La sua prossima orbita sarà molto più breve a causa della sua interazione con la Via Lattea.

"La conferma della nostra previsione teorica con i dati osservativi ci dice che la nostra comprensione dell'interazione tra queste due galassie, compresa la materia oscura, è sulla strada giusta, " ha detto il dottorando in astronomia dell'Università dell'Arizona Nicolás Garavito-Camargo, che ha condotto il lavoro sul modello utilizzato nella carta.

La nuova mappa offre anche agli astronomi una rara opportunità di testare le proprietà della materia oscura (l'acqua immaginaria o il miele) nella nostra galassia. Nel nuovo studio, Garavito-Camargo e colleghi hanno utilizzato una popolare teoria della materia oscura chiamata materia oscura fredda che si adatta relativamente bene alla mappa stellare osservata. Ora il team dell'Università dell'Arizona sta eseguendo simulazioni che utilizzano diverse teorie sulla materia oscura, per vedere quale corrisponde meglio alla scia osservata nelle stelle.

"È un insieme di circostanze davvero speciale che si è unito per creare questo scenario che ci consente di testare le nostre teorie sulla materia oscura, " disse Gurtina Besla, coautore dello studio e professore associato presso l'Università dell'Arizona. "Ma possiamo realizzare quel test solo con la combinazione di questa nuova mappa e le simulazioni di materia oscura che abbiamo costruito".