Introduzione

Un team di ricerca guidato dai fisici dell’Università della California – Riverside, riferisce che minuscole galassie satellitari 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.

Self-interacting dark matter

Utilizzando sofisticate simulazioni, i ricercatori mostrano una teoria chiamata self-interacting dark matter – SIDM – in grado di spiegare in modo convincente diverse distribuzioni di materia oscura in Draco e Fornax, due delle oltre 50 galassie satellitari scoperte della Via Lattea.

Draco e Fornax
L’immagine mostra Draco a sinistra (Hubble Space Telescope) e Fornax (ESO / Digitized Sky Survey 2).

La teoria prevalente della materia oscura, chiamata Cold Dark Matter, o CDM, spiega gran parte dell’universo, incluso il modo in cui le strutture emergono in esso. Ma una sfida di lunga data per CDM è stata quella di spiegare le diverse distribuzioni di materia oscura nelle galassie.

I ricercatori, guidati da Hai-Bo Yu e Laura V. Sales dell’UC Riverside, hanno studiato l’evoluzione del “subhalos” SIDM nel “campo di marea” della Via Lattea – l’inclinazione nel campo gravitazionale della Via Lattea che una galassia satellite sente sotto forma di forza di marea. I subhalos sono ammassi di materia oscura che ospitano le galassie satellitari. 

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, professore associato di fisica e astronomia e fisico teorico con esperienza nelle proprietà delle particelle della materia oscura. “In SIDM, l’interazione tra il subhalos e le maree della Via Lattea porta a distribuzioni più diverse di materia oscura nelle regioni interne del subhalos, rispetto alle loro controparti CDM“. Video 

Ricostruire le tratiettorie

Hai-Bo Yu
Hai-Bo Yu è un fisico teorico con esperienza nelle proprietà delle particelle della materia oscura. (UCR / I. Pittalwala)

Draco e Fornax hanno estremi opposti nel loro contenuto interno di materia oscura. Draco ha la più alta densità di materia oscura tra le nove galassie satelliti della Via Lattea; Fornax ha il più basso. Utilizzando misure 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 di materia oscura di Draco e Fornax alla luce di queste traiettorie orbitali appena misurate“, ha detto Yu. “Abbiamo scoperto che SIDM può fornire una spiegazione dopo aver preso in considerazione sia gli effetti delle maree che le autointerazioni della materia oscura“.

Una materia ancora oscura

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

Laura Sales
Laura Sales è un’astrofisica con esperienza nelle simulazioni numeriche della formazione di galassie. (UCR / Stan Lim)

Nel CDM, si presume che le particelle di materia oscura non collidano 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 ritiene che la materia oscura auto-interagisca attraverso 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 interazione con la materia oscura.

Il nostro lavoro mostra che le galassie satellitari della Via Lattea possono fornire test importanti su diverse teorie della materia oscura“, ha detto Sales. “Mostriamo l’interazione tra auto-interazioni della materia oscura e interazioni di marea in grado di produrre nuove firme in SIDM che non sono previste nella teoria prevalente del CDM“.

Simulazioni N-body e crollo del nucleo

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

Omid Sameie
Omid Sameie, ex studente laureato alla UCR, è ricercatore post dottorato all’Università del Texas ad Austin. (Omid Sameie)

Le nostre simulazioni rivelano nuove dinamiche quando un subhalo SIDM si evolve nel campo delle maree“, ha affermato Omid Sameie, un ex studente laureato all’UCR e che ha lavorato con Yu e Sales ed è ora ricercatore post dottorato presso l’Università del Texas ad Austin, lavorando su simulazioni numeriche di formazione di galassie. “Si pensava che le osservazioni di Draco fossero incompatibili con le previsioni SIDM. Ma abbiamo scoperto che un subhalo in SIDM può produrre un’alta densità di materia oscura per spiegare Draco“.  

Sales ha spiegato che SIDM prevede un fenomeno unico chiamato “crollo del nucleo“. In alcune circostanze, la parte interna dell’alone crolla sotto l’influenza della gravità e produce un’alta densità. Ciò è in contrasto con la solita aspettativa che le autointerazioni della materia oscura conducano a un alone a bassa densità. La Sales ha detto che le simulazioni del team identificano le condizioni per il collasso del nucleo nel subhalos.

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

Un risultato sorprendente

I ricercatori hanno sottolineato che il loro attuale lavoro si concentra principalmente su SIDM e non effettua una valutazione critica su quanto bene CDM possa spiegare sia Draco che Fornax. Dopo che il team ha utilizzato simulazioni numeriche per tenere adeguatamente conto dell’interazione dinamica tra auto-interazioni della materia oscura e interazioni di marea, i ricercatori hanno osservato un risultato sorprendente.

La materia oscura centrale di un subhalo SIDM potrebbe essere in aumento, contrariamente alle normali aspettative“, ha detto Sameie. “È importante sottolineare che le nostre simulazioni identificano le condizioni affinché questo fenomeno si verifichi in SIDM e mostriamo che può spiegare le osservazioni di Draco“.

Estendere la ricerca

Il team di ricerca prevede di estendere lo studio ad altre galassie satelliti, comprese le galassie ultra deboli.

Yu, Sales e Sameie si sono uniti allo studio di Mark Vogelsberger del Massachusetts Institute of Technology e Jesús Zavala dell’Università dell’Islanda. Sameie è il primo autore del documento di ricerca , intitolato “Subhalos di materia oscura che interagiscono da soli nelle maree della Via Lattea”. 

La ricerca è stata supportata da sovvenzioni del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, della National Aeronautics and Space Administration, della NASA MIRO FIELDS Fellowship, della National Science Foundation, della Hellman Fellow Foundation e del Icelandic Research Fund. 

Citazioni e Approfondimenti

  • Omid Sameie, Hai-Bo Yu, Laura V. Sales, Mark Vogelsberger, and Jesús Zavala, “Self-Interacting Dark Matter Subhalos in the Milky Way’s Tides” – Phys. Rev. Lett. 124, 141102 – DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.141102