Quando una piccola galassia si avvicina troppo alla Via Lattea, la gravità della nostra galassia più grande la avvolge. Gas e stelle vengono strappati dalla galassia che passa mentre cade verso l'interno verso il suo destino, creando flussi di materiale che si estendono tra la coppia galattica. Questi flussi continuano a strappare via le stelle fino a quando l'oggetto in caduta non è stato completamente consumato. Dopo la fusione, alcuni dei soli segni rimanenti dell'oggetto divorato sono i flussi stellari che serpeggiano lungo la Via Lattea, un piccolo campione di stelle di una galassia ormai lontana.
Oltre ad essere un record del passato, uno di questi flussi può fornire la prima prova diretta per ammassi di materia oscura su piccola scala, il materiale inafferrabile che si ritiene rappresenti l'85 percento di tutta la materia nell'universo. Una recente analisi di una scia di stelle rivela che ha interagito con un oggetto denso nelle ultime centinaia di milioni di anni. Dopo aver escluso i sospetti più probabili, i ricercatori hanno determinato che il divario relativamente recente nel flusso potrebbe essere stato causato da un piccolo gruppo di materia oscura. Se confermati, i vortici di questo flusso stellare potrebbero aiutare gli scienziati a risolvere le teorie concorrenti sulla materia oscura e forse persino avvicinarsi alle caratteristiche del materiale misterioso.
Il flusso stellare noto come GD-1 è un sottile flusso di materiale nascosto all'interno dell'alone galattico, la raccolta sciolta di stelle e gas che circonda il disco della Via Lattea. Utilizzando i dati rilasciati lo scorso aprile dal telescopio spaziale Gaia dell'Agenzia spaziale europea, che è in procinto di assemblare la mappa più dettagliata delle stelle della Via Lattea mai realizzate, gli astronomi sono stati in grado di utilizzare dati posizionali precisi per ricostruire il movimento delle stelle in GD -1. Strappato da una nuvola di materiale, il flusso è l'ultimo residuo di un oggetto che è stato probabilmente consumato dalla nostra galassia negli ultimi 300 milioni di anni: un battito di ciglia su scale temporali astronomiche.
Rappresentazione dell'artista dell'osservatorio spaziale Gaia dell'ESA, un telescopio astrometrico progettato per misurare le posizioni e i movimenti delle stelle. (ESA / NASA) Gaia trovò due piccole interruzioni nel flusso, la prima osservazione inequivocabile di lacune in un flusso stellare, nonché una densa raccolta di stelle chiamata uno sperone. Insieme, queste caratteristiche suggeriscono che un oggetto piccolo ma massiccio ha scosso il materiale del flusso.
"Penso che questa sia la prima prova dinamica diretta per la [struttura] su piccola scala della materia oscura", afferma Adrian Price-Whelan, un astronomo del Flatiron Institute di New York. Lavorando con Ana Bonaca del Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian, Price-Whelan ha studiato le nuove strutture in GD-1 per determinare la loro fonte e ha presentato i risultati all'inizio di quest'anno alla riunione invernale dell'American Astronomical Society.
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A circa 33.000 anni luce (10 kiloparsecs), GD-1 è il flusso stellare più lungo dell'alone galattico. Mentre Price-Whelan e i suoi colleghi sono stati in grado di utilizzare modelli per mostrare che uno dei vuoti si è formato durante la generazione del flusso, l'altro divario è rimasto un mistero. Tuttavia, insieme al puzzle, Gaia ha anche rivelato una soluzione: lo sperone.
Quando un oggetto attraversa o attraversa un flusso stellare, interrompe le stelle. Price-Whelan confronta l'interruzione con un forte getto d'aria che soffia attraverso un flusso d'acqua. L'acqua - o le stelle - fuoriescono verso l'esterno lungo il percorso del disgregatore, creando uno spazio. Alcuni si muovono così in fretta che sfuggono al torrente e volano via nello spazio, persi per sempre. Altri vengono tirati indietro nel flusso per formare caratteristiche simili a vortici che gli astronomi chiamano speroni. Dopo qualche centinaio di milioni di anni, la maggior parte degli speroni si fondono di nuovo nel flusso e rimane solo il divario, sebbene alcuni possano essere di più lunga durata.
Quando si tratta di individuare strutture in flussi stellari, Price-Whelan chiama GD-1 "il flusso di Goldilocks" perché è nel posto giusto. GD-1 è all'interno delle stelle della Via Lattea, ma si muove nella direzione opposta, rendendo più facile per gli astronomi individuare le stelle nel flusso dagli oggetti circostanti. "In qualsiasi posizione, si sta muovendo in modo diverso dal modo in cui si muovono la maggior parte delle altre stelle in quella parte del cielo", afferma Price-Whelan.
I ricercatori hanno modellato il tipo di oggetti che potrebbero essere responsabili dello sperone relativamente neonato notato in GD-1. Hanno determinato che l'oggetto responsabile doveva pesare con una massa compresa tra 1 e 100 milioni di volte la massa del sole. Allungando solo circa 65 anni luce (20 pezzi) di lunghezza, l'oggetto sarebbe stato incredibilmente denso. L'interazione tra il flusso e l'oggetto denso sarebbe probabilmente avvenuta nelle ultime centinaia di milioni di anni a partire dalla vita di 13, 8 miliardi di anni dell'universo.
Un diagramma della nostra galassia, la Via Lattea. (NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC / Caltech)) La materia oscura non è l'unico oggetto che avrebbe potuto interrompere il flusso stellare. Un ammasso globulare o una galassia nana che piomba nelle vicinanze potrebbe anche aver creato il divario e lo sperone. Price-Whelan e i suoi colleghi hanno rivolto gli occhi verso tutti questi oggetti noti e hanno calcolato le loro orbite, scoprendo che nessuno si è avvicinato abbastanza al GD-1 negli ultimi miliardi di anni per scuotere le cose. Un incontro casuale con un buco nero primordiale avrebbe potuto far volare le stelle del torrente, ma sarebbe stato un evento estremamente raro.
Secondo simulazioni di materia oscura che consentono piccole strutture, decine di semi di materia oscura sono sparpagliati attraverso galassie come la Via Lattea. Un flusso come GD-1 dovrebbe incontrare almeno uno di questi semi negli ultimi 8 miliardi di anni, rendendo la materia oscura una perturbatrice molto più probabile in base ai tassi di incontro rispetto a qualsiasi altro oggetto.
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La materia oscura costituisce la maggior parte della massa nell'universo, ma non è mai stata osservata direttamente. Le due teorie principali per la sua esistenza sono il modello di materia oscura calda e il modello di materia oscura fredda Lambda (ΛCDM), che è il modello preferito dalla maggior parte degli scienziati. Sotto ΛCDM, la materia oscura forma grumi che possono essere grandi come una galassia o piccoli come una lattina di soda. I modelli di materia oscura calda suggeriscono che il materiale ha particelle meno massicce e manca delle strutture delle dimensioni di una lattina suggerite dal modello MCDM. Trovare prove per strutture su piccola scala della materia oscura potrebbe aiutare a sradicare alcuni modelli e iniziare a restringere alcune delle caratteristiche della stuzzicante roba.
"I flussi potrebbero essere l'unica strada che potremmo [usare per] studiare l'estremità di massa più bassa di ciò che la materia oscura sta facendo", afferma Price-Whelan. "Se vogliamo essere in grado di confermare, rifiutare o escludere diverse teorie della materia oscura, dobbiamo davvero sapere cosa sta succedendo nella fascia bassa".
I dati di Gaia hanno aiutato a identificare le stelle dello sperone, ma non sono abbastanza dettagliati per confrontare le differenze di velocità tra loro e le stelle nel flusso, il che potrebbe aiutare a confermare che la materia oscura ha perturbato la struttura. Price-Whelan e i suoi colleghi vogliono usare il telescopio spaziale Hubble della NASA per studiare ulteriormente il movimento delle stelle deboli in GD-1. Sebbene Gaia abbia aperto le porte all'esame su larga scala del movimento delle stelle attraverso la Via Lattea, Price-Whelan afferma che non può competere con l'HST quando si tratta di stelle molto deboli. "Puoi approfondire molto quando hai un telescopio dedicato come Hubble", dice.
Le differenze nel modo in cui le stelle del flusso e dello sperone si muovono potrebbero aiutare gli astronomi a determinare quanta energia trasportava l'oggetto perturbante, oltre a consentire ai ricercatori di calcolare la sua orbita. Queste informazioni potrebbero essere utilizzate per rintracciare il disgregante gruppo di materia oscura e studiarne l'ambiente circostante.
Oltre a fare uno studio più approfondito del GD-1, gli astronomi progettano di applicare le stesse tecniche abilitate dai dati di Gaia ad alcuni degli oltre 40 altri flussi che circondano la Via Lattea. Individuare speroni e lacune in altri flussi e legarli alla materia oscura potrebbe migliorare ulteriormente la nostra comprensione di come la misteriosa sostanza interagisce con la galassia visibile.
Dopo decenni di enigmi sul mistero della materia oscura, le lacune e gli speroni nei flussi stellari come GD-1 possono finalmente aiutare a rivelare i segreti della sostanza che costituisce la maggior parte dell'universo. "Questa è una delle cose più eccitanti che sono uscite da Gaia", afferma Price-Whelan.
