Un gruppo di ricerca guidato da fisici dell'Università della California, lungo il fiume, riferisce che minuscole galassie satellite della Via Lattea possono essere utilizzate per testare le proprietà fondamentali della "materia oscura", materiale non luminoso che si ritiene costituisca l'85% della materia nell'universo.

Utilizzando simulazioni sofisticate, i ricercatori mostrano una teoria chiamata materia oscura auto-interagente, o SIDM, può spiegare in modo convincente le diverse distribuzioni della materia oscura in Draco e Fornax, due delle oltre 50 galassie satellite scoperte della Via Lattea.

La teoria prevalente della materia oscura, chiamata Materia Oscura Fredda, o CDM, spiega gran parte dell'universo, compreso il modo in cui le strutture emergono in esso. Ma una sfida di vecchia data per CDM è stata quella di spiegare le diverse distribuzioni della materia oscura nelle galassie.

I ricercatori, guidato da Hai-Bo Yu e Laura V. Sales di UC Riverside, ha studiato l'evoluzione dei "subhalos" SIDM nel "campo di marea" della Via Lattea, il gradiente nel campo gravitazionale della Via Lattea che una galassia satellite percepisce sotto forma di forza di marea. I subhalos sono ammassi di materia oscura che ospitano le galassie satellite.

"Abbiamo scoperto che SIDM può produrre diverse distribuzioni di materia oscura negli aloni di Draco e Fornax, in accordo con le osservazioni, " ha detto Yu, un professore associato di fisica e astronomia e un fisico teorico con esperienza nelle proprietà delle particelle della materia oscura. "Nel SIDM, l'interazione tra i subhalos e le maree della Via Lattea porta a distribuzioni di materia oscura più diverse nelle regioni interne dei subhalos, rispetto alle loro controparti CDM."

Draco e Fornax hanno estremi opposti nei loro contenuti interni di materia oscura. Draco ha la più alta densità di materia oscura tra le nove galassie satelliti luminose della Via Lattea; Fornax ha il più basso. Utilizzando misurazioni astronomiche avanzate, gli astrofisici hanno recentemente ricostruito le loro traiettorie orbitali nel campo di marea della Via Lattea.

"La nostra sfida era capire l'origine delle diverse distribuzioni della materia oscura di Draco e Fornax alla luce di queste traiettorie orbitali appena misurate, " Yu ha detto. "Abbiamo scoperto che SIDM può fornire una spiegazione dopo aver preso in considerazione sia gli effetti delle maree che le autointerazioni della materia oscura".

I risultati dello studio vengono visualizzati in Lettere di revisione fisica .

La natura della materia oscura rimane in gran parte sconosciuta. A differenza della materia normale, non assorbe, riflettere, o emettere luce, rendendo difficile il rilevamento. Identificare la natura della materia oscura è un compito centrale nella fisica delle particelle e nell'astrofisica.

In CDM, si presume che le particelle di materia oscura siano prive di collisione, e ogni galassia si trova all'interno di un alone di materia oscura che forma l'impalcatura gravitazionale che la tiene insieme. In SIDM, si propone che la materia oscura interagisca con una nuova forza oscura. Si presume che le particelle di materia oscura si scontrino fortemente l'una con l'altra nell'alone interno, vicino al centro della galassia, un processo chiamato autointerazione della materia oscura.

"Il nostro lavoro mostra che le galassie satellitari della Via Lattea possono fornire importanti test di diverse teorie sulla materia oscura, " ha detto Vendite, un assistente professore di fisica e astronomia e un astrofisico esperto in simulazioni numeriche della formazione di galassie. "Mostriamo che l'interazione tra le autointerazioni della materia oscura e le interazioni delle maree può produrre nuove firme in SIDM che non sono previste nella teoria CDM prevalente".

Nel loro lavoro, i ricercatori hanno utilizzato principalmente simulazioni numeriche, chiamate "simulazioni di N-corpi, " e ottenuto preziose intuizioni attraverso la modellazione analitica prima di eseguire le loro simulazioni.

"Le nostre simulazioni rivelano nuove dinamiche quando un subalone SIDM si evolve nel campo di marea, " disse Omid Sameie, un ex studente laureato all'UCR che ha lavorato con Yu e Sales ed è ora ricercatore post-dottorato presso l'Università del Texas ad Austin, lavorando su simulazioni numeriche della formazione di galassie. "Si pensava che le osservazioni di Draco fossero incoerenti con le previsioni SIDM. Ma abbiamo scoperto che un subalone in SIDM può produrre un'elevata densità di materia oscura per spiegare Draco".

Spiegazione delle vendite Il SIDM prevede un fenomeno unico chiamato "crollo del nucleo". In determinate circostanze, la parte interna dell'alone collassa sotto l'influenza della gravità e produce un'alta densità. Ciò è contrario alla consueta aspettativa che le autointerazioni della materia oscura portino a un alone di bassa densità. Le vendite hanno affermato che le simulazioni del team identificano le condizioni affinché il collasso del nucleo si verifichi nei subhalos.

"Per spiegare l'elevata densità di materia oscura di Draco, la sua concentrazione di alone iniziale deve essere alta, "ha detto. "Più massa di materia oscura deve essere distribuita nell'alone interno. Sebbene questo sia vero sia per CDM che per SIDM, per il SIDM il fenomeno del collasso del nucleo può verificarsi solo se la concentrazione è elevata in modo che la scala temporale del collasso sia inferiore all'età dell'universo. D'altra parte, Fornax ha un subalone poco concentrato, e quindi la sua densità rimane bassa."

I ricercatori hanno sottolineato che il loro lavoro attuale si concentra principalmente su SIDM e non fa una valutazione critica su quanto bene il CDM possa spiegare sia Draco che Fornax.

Dopo che il team ha utilizzato simulazioni numeriche per tenere adeguatamente conto dell'interazione dinamica tra le autointerazioni della materia oscura e le interazioni delle maree, i ricercatori hanno osservato un risultato sorprendente.

"La materia oscura centrale di un subalone SIDM potrebbe aumentare, contrariamente alle solite aspettative, " Sameie ha detto. "È importante che le nostre simulazioni identificano le condizioni affinché questo fenomeno si verifichi in SIDM, e dimostriamo che può spiegare le osservazioni di Draco."

Il team di ricerca prevede di estendere lo studio ad altre galassie satellite, comprese le galassie ultradeboli.