Le stelle esterne più lente della Via Lattea indicano che la materia oscura è esagerata

Istituto di Tecnologia del MassachussettsSpettacolo di studi esterni via Lattea Le stelle ruotano più lentamente, indicando un nucleo più leggero contenente meno materia oscura, il che contraddice le ipotesi precedenti.

Registrando la velocità delle stelle in tutta la Via Lattea, i fisici del MIT hanno scoperto che le stelle nel disco galattico si muovono più lentamente del previsto rispetto alle stelle più vicine al centro galattico. I risultati sollevano una possibilità sorprendente: il nucleo gravitazionale della Via Lattea potrebbe essere più leggero e contenere meno materia oscura di quanto si pensasse in precedenza.

Le nuove scoperte si basano sull'analisi da parte del team dei dati catturati dagli strumenti Gaia e APOGEE. Gaia è un telescopio spaziale orbitante che traccia la posizione precisa, la distanza e il movimento di oltre un miliardo di stelle in tutta la Via Lattea, mentre APOGEE è un telescopio terrestre. I fisici hanno analizzato le misurazioni di Gaia di oltre 33.000 stelle, comprese alcune delle stelle più distanti della galassia, e hanno determinato la “velocità circolare” di ciascuna stella, ovvero la velocità con cui la stella ruota nel disco galattico, data la distanza della stella dal centro della stella. la galassia. .

Comprendere la rotazione galattica

Gli scienziati hanno tracciato la velocità di ciascuna stella rispetto alla sua distanza per generare una curva di rotazione, un grafico standard in astronomia che rappresenta la velocità con cui la materia ruota a una data distanza dal centro della galassia. La forma di questa curva può dare agli scienziati un’idea di quanta materia visibile e oscura sia distribuita in tutta la galassia.

“Ciò che siamo rimasti davvero sorpresi di vedere è che questa curva è rimasta piatta, piatta, piatta per una certa distanza, e poi ha iniziato a diminuire”, dice Lina Naguib, assistente professore di fisica al MIT. “Ciò significa che le stelle esterne ruotano un po’ più lentamente del previsto, il che è un risultato molto sorprendente”.

Uno studio condotto dai fisici del Massachusetts Institute of Technology suggerisce che il nucleo gravitazionale della Via Lattea potrebbe avere una massa più leggera e contenere meno materia oscura di quanto si pensasse in precedenza. Fonte immagine: ESA/Gaia/DPAC, a cura di MIT News

Sfidare le teorie sulla materia oscura

Il team ha tradotto la nuova curva di rotazione in una distribuzione della materia oscura che potrebbe spiegare il rallentamento delle esostelle e ha scoperto che la mappa risultante produceva un nucleo galattico più leggero del previsto. Cioè, il centro della Via Lattea potrebbe essere meno denso e contenere meno materia oscura di quanto pensano gli scienziati.

“Ciò mette questo risultato in tensione con altre misurazioni”, afferma Najeeb. “C'è qualcosa di sospetto da qualche parte, ed è davvero interessante scoprire dove si trova, per ottenere un quadro coerente della Via Lattea.”

La squadra annuncia i suoi risultati questo mese in Avvisi mensili del Journal of the Royal Society. I coautori dello studio del MIT, incluso Nassib, sono il primo autore Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers e Anna Friebel.

“nel nulla”

Come la maggior parte delle galassie nell'universo, la Via Lattea gira come l'acqua in un vortice, la sua rotazione è guidata in parte da tutta la materia che vortica all'interno del suo disco. Negli anni '70, l'astronoma Vera Rubin fu la prima a notare che le galassie ruotano in modi che non possono essere guidati dalla materia puramente visibile. Lei e i suoi colleghi hanno misurato la velocità di rotazione delle stelle e hanno scoperto che le curve di rotazione risultanti erano sorprendentemente piatte. Ciò significa che la velocità delle stelle è rimasta la stessa in tutta la galassia, anziché diminuire con la distanza. Hanno concluso che un altro tipo di materia invisibile deve influenzare le stelle distanti per dare loro una spinta extra.

Il lavoro di Rubin sulle curve di rotazione è stato una delle prime prove evidenti dell'esistenza della materia oscura, un'entità invisibile e sconosciuta che si stima superi tutte le stelle e altra materia visibile nell'universo.

Da allora, gli astronomi hanno osservato curve piatte simili in galassie distanti, a sostegno dell’esistenza della materia oscura. Solo di recente gli astronomi hanno provato a tracciare la curva di rotazione della nostra galassia con le stelle.

“Si scopre che è difficile misurare la curva di rotazione quando si è seduti all'interno di una galassia”, dice Au.

Nuove intuizioni dai dati Gaia

Nel 2019, Anna Christina Ehlers, assistente professore di fisica al MIT, ha tracciato la curva di rotazione della Via Lattea, utilizzando una precedente serie di dati provenienti dal satellite Gaia. Questo rilascio di dati includeva stelle fino a 25 kiloparsec, o circa 81.000 anni luce, dal centro galattico.

Sulla base di questi dati, Ehlers ha osservato che la curva di rotazione della Via Lattea appare piatta, anche se con una leggera flessione, simile a quella di altre galassie distanti, e per deduzione, la galassia probabilmente trasporta un'alta densità di materia oscura nel suo nucleo. Ma questa opinione è cambiata ora, poiché il telescopio ha rilasciato una nuova serie di dati, questa volta includendo stelle distanti fino a 30 kiloparsec, circa 100.000 anni luce dal nucleo galattico.

“A queste distanze, siamo ai margini della galassia dove le stelle cominciano a svanire”, dice Fripple. “Nessuno ha esplorato come si muove la materia in questa galassia esterna, dove siamo letteralmente nel nulla”.

Strana tensione

Frebel, Naguib, Au ed Ehlers si sono lanciati nei nuovi dati Gaia, cercando di espandere la curva di rotazione iniziale di Ehlers. Per migliorare la loro analisi, il team ha integrato i dati di Gaia con misurazioni effettuate da APOGEE – Galaxy Evolution Experiment dell’Osservatorio Apache Point, che misura proprietà altamente dettagliate di oltre 700.000 stelle nella Via Lattea, come la loro luminosità, temperatura e composizione elementare.

“Inseriamo tutte queste informazioni in un algoritmo per cercare di apprendere connessioni che possano poi fornirci stime migliori della distanza dalla stella”, spiega Au. “Ecco come possiamo spingerci oltre”.

Il team ha determinato le distanze precise di oltre 33.000 stelle e ha utilizzato queste misurazioni per creare una mappa 3D delle stelle sparse nella Via Lattea fino a circa 30 kiloparsec. Hanno poi combinato questa mappa in un modello di velocità circolare, simulando la velocità alla quale ogni stella dovrebbe muoversi, tenendo conto della distribuzione di tutte le altre stelle nella galassia. Hanno quindi tracciato la velocità e la distanza di ciascuna stella su un grafico per produrre una curva di rotazione aggiornata per la Via Lattea.

“Qui è arrivata la stranezza”, dice Naguib.

Invece di vedere un leggero calo come le curve di rotazione precedenti, il team ha notato che la nuova curva scendeva più fortemente del previsto all’estremità esterna. Questo declino inaspettato indica che mentre le stelle possono viaggiare alla stessa velocità su una certa distanza, rallentano improvvisamente a distanze maggiori. Le stelle in periferia sembrano muoversi più lentamente del previsto.

Esplora i segreti della galassia

Quando il team ha tradotto questa curva di rotazione nella quantità di materia oscura che dovrebbe essere presente in tutta la galassia, ha scoperto che il nucleo della Via Lattea potrebbe contenere meno materia oscura di quanto stimato in precedenza.

“Questo risultato non è coerente con altre misurazioni”, afferma Najeeb. “Comprendere davvero questo risultato avrà profonde ramificazioni. Ciò potrebbe portare a masse più nascoste oltre il bordo del disco galattico, o a una revisione dello stato di equilibrio della nostra galassia. Cerchiamo di trovare queste risposte nel prossimo lavoro, utilizzando immagini ad alta risoluzione simulazioni di galassie simili alla Via Lattea.

Riferimento: “Immagine della materia oscura della Via Lattea dedotta dalla sua curva di velocità circolare” di Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers, Lena Naguib e Anna Friebel, 8 gennaio 2024, Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.
doi: 10.1093/mnras/stae034

Questa ricerca è stata finanziata in parte dalla National Science Foundation.