Galassie senza materia oscura lasciano perplessi gli astronomi
Alcune galassie nane del tutto prive di materia oscura rappresentano un enigma cosmico
di Maria Luísa Buzzo
www.lescienze.it
La prima volta che ho sentito parlare di galassie senza materia oscura fu durante la prima lezione che seguii come dottoranda all’Università di São Paulo, in Brasile. Era il 2018 e la scoperta era appena stata annunciata. Un gruppo di ricerca aveva scoperto una piccola galassia strana che sembrava priva di materia oscura, la sostanza invisibile che si ritiene costituisca la maggior parte della materia nell’universo, in modo essenziale per la formazione, l’evoluzione e la stabilità delle galassie. La scoperta era così importante che ne parlò anche la televisione brasiliana.
Il nostro professore aprì il semestre con questa notizia, che scatenò mesi di discussioni. Da tempo si riteneva che le galassie nane – agglomerati di stelle più piccoli e gonfi rispetto alle galassie a spirale come la Via Lattea – siano dominate dalla materia oscura. Era davvero possibile che si formassero e sopravvivessero senza? Il risultato era reale o poteva essere dovuto a ipotesi errate o dati incerti? C’era forse qualcosa che non andava nei nostri modelli di formazione delle galassie?
Si tornò più e più volte su una domanda in apparenza semplice ma sorprendentemente difficile: che cosa definisce una galassia? A quanto pare non esiste una risposta univoca. Per esempio, nel 2011 due astronomi, Duncan Forbes, della Swinburne University, in Australia, e Pavel Kroupa, dell’Università di Bonn, in Germania, svolsero un sondaggio intitolato Che cos’è una galassia? I risultati mostrarono quanto possa variare la definizione, anche tra gli esperti. La maggior parte degli astronomi concorda su questi principi fondamentali: le galassie sono sistemi voluminosi di stelle, gas e polvere legati gravitazionalmente, con un contributo significativo ma poco compreso di materia oscura. La scoperta inaspettata di una galassia che in apparenza è priva di questa materia invisibile mette in discussione questa definizione.
Nessuno sa di che cosa sia fatta la materia oscura, ma gli astronomi sono abbastanza sicuri che sia reale e onnipresente. Ne vediamo indizi ovunque: dalla struttura su larga scala del cosmo ai movimenti degli ammassi di galassie e alle orbite delle stelle. Sembra che la materia oscura sia ciò che tiene insieme la maggior parte delle galassie: senza, le stelle volerebbero via per conto loro. L’idea di una galassia senza materia oscura mette in discussione tutto ciò che sappiamo su come nascono questi sistemi stellari.
Per capire perché queste scoperte siano così sconcertanti dobbiamo tornare al 2015, quando gli astronomi iniziarono a trovare un gran numero di quelle che vengono chiamate galassie ultradiffuse. Il Dragonfly Telephoto Array, nel New Mexico, ne scoprì centinaia nell’Ammasso della Chioma, un raggruppamento di galassie a 300 milioni di anni luce di distanza.
Le galassie ultradiffuse sono un tipo di galassie nane, ma appaiono molto più grandi nel cielo rispetto alle nane tipiche. Un modo per misurare le galassie è in base a una metrica detta «raggio di metà luce», cioè il raggio di un cerchio immaginario attorno al centro della galassia che racchiude metà della sua luce totale.
Le galassie ultradiffuse hanno spesso raggi di metà luce estesi, simili a quelli di galassie con massa molto maggiore, ma contengono solo una piccola percentuale del numero di stelle presenti nei sistemi più grandi. Di conseguenza sono fioche, sparse e difficilissime da rilevare: sembrano sbuffi nel cielo. Il loro aspetto spettrale e la loro presenza in ambienti ad alta densità come gli ammassi di galassie hanno sorpreso gli astronomi e hanno aperto un nuovo capitolo nello studio della formazione delle galassie.
Per molto tempo si è pensato che le galassie ultradiffuse fossero avvolte in enormi aloni di materia oscura. Il ragionamento era semplice: come fanno oggetti così fragili e sparsi a rimanere uniti in ambienti ostili come gli ammassi di galassie senza essere dilaniati quasi istantaneamente dall’attrazione gravitazionale delle galassie vicine? A proteggerli ci deve essere qualcosa che non possiamo vedere: la materia oscura.
L’idea è stata corroborata dal fatto che queste galassie sembrano ospitare un gran numero di ammassi globulari, ovvero gruppi compatti e antichi di stelle. Gli ammassi globulari si formano di solito durante intensi episodi di formazione stellare, quando appaiono molte stelle neonate, come accadeva nell’universo primordiale. Il numero di ammassi globulari in orbita in una galassia è strettamente legato alla massa totale della galassia, compresa la sua materia oscura. Più grande è la massa di una galassia, più può innescare il tipo di formazione stellare precoce e intensa che genera ammassi globulari. Poiché le galassie ultradiffuse hanno molti ammassi globulari ma pochissime stelle, i ricercatori hanno concluso che devono avere una massa elevata ma composta principalmente da qualcosa che non si vede. Tutti gli indizi indicavano che fossero fortemente dominate dalla materia oscura.
Ma questa ipotesi è stata ribaltata nel 2018, quando Pieter van Dokkum e Shany Danieli, entrambi all’epoca alla Yale University, e i loro collaboratori comunicarono la scoperta che sarebbe stata onnipresente nelle conversazioni durante il mio primo semestre di dottorato: la galassia ultradiffusa NGC 1052-DF2 (detta anche semplicemente DF2) sembrava priva di materia oscura. Questa galassia aveva un sistema di ammassi globulari molto insolito: erano tutti assai più luminosi di quelli che si trovano nelle galassie tipiche. In base alle misurazioni della velocità delle stelle e degli ammassi globulari di DF2, il gruppo di ricerca ha dedotto che la massa totale della galassia era all’incirca uguale alla massa della sua materia visibile. Non c’erano indizi di un alone invisibile che tenesse insieme il sistema.
Il motivo per cui gli astronomi misurano le velocità delle stelle e degli ammassi globulari per stimare la massa di una galassia ha a che fare con la gravità. Come la velocità dei pianeti in orbita attorno al Sole è collegata alla massa del Sole stesso, così dal moto delle stelle in una galassia si deduce l’attrazione gravitazionale totale che agisce su di esse. Maggiore è la loro velocità, maggiore deve essere la massa presente. Se le velocità che si misurano sono superiori a ciò che si può spiegare in base alle sole stelle visibili, ne deduciamo che a fornire la gravità extra sia la massa invisibile (la materia oscura). Se invece le velocità sono basse e corrispondono al solo contributo delle stelle, la materia oscura può essere scarsa o assente.
Non tutti accettarono la conclusione che DF2 fosse priva di materia oscura. Uno dei principali punti di dibattito era la sua distanza dalla Terra. Secondo alcuni ricercatori la galassia poteva essere più vicina di quanto si fosse inizialmente stimato, il che avrebbe ridotto i valori calcolati per le sue dimensioni e la massa totale e avrebbe reso di nuovo necessaria la materia oscura per spiegarne la dinamica. Poiché per determinare la massa di una galassia sono necessarie sia la velocità delle sue stelle sia le sue dimensioni fisiche, che si calcolano in base alla distanza, quest’ultima era un dato cruciale. Il gruppo di van Dokkum ha così eseguito una delle più grandi indagini osservative di un singolo oggetto con il telescopio spaziale Hubble, dedicando 42 orbite dell’osservatorio (circa 66 ore) a perfezionare la misurazione della distanza. I risultati hanno confermato la stima originaria della distanza, avvalorando l’idea che DF2 sia priva di materia oscura.
Altri gruppi di ricerca hanno però continuato a proporre interpretazioni alternative, tra cui nuovi metodi per stimare la distanza della galassia. Il dibattito si è intensificato quando il gruppo di van Dokkum ha annunciato che una seconda galassia vicina a DF2 – chiamata DF4 – aveva stelle altrettanto lente, il che suggeriva ancora una volta una carenza di materia oscura. Inizialmente la scoperta è stata accolta con incredulità: che probabilità c’era che due galassie, vicine nel cielo, fossero entrambe prive di materia oscura? Dopo circa 48 ore di osservazioni insonni, racconta van Dokkum, inviò a Danieli un semplice messaggio formato da un solo carattere: il numero 7. Era il risultato del suo calcolo della dispersione di velocità degli ammassi, una misura di quanto variano le loro velocità. Era così bassa che bastava a indicare che DF4, come DF2, conteneva poca o niente materia oscura. A quel punto, l’idea che le galassie potessero esistere senza materia oscura era passata dall’essere un’ipotesi a una linea di ricerca seria, per quanto controversa.
In quello che sappiamo attualmente sulla formazione delle galassie, i nostri modelli permettono sistemi privi di materia oscura, ma sono in genere oggetti grandi e rari come le galassie reliquia (relic), cioè galassie insolite, incomplete, resti dell’universo primordiale. Per le galassie nane come DF2, DF4 e la maggior parte degli oggetti ultradiffusi, ci aspettiamo il contrario. Avendo masse ridotte, tendono a formare meno stelle e si pensa che siano fortemente dominate dalla materia oscura.
L’unico tipo di galassia nana per la quale si prevede che si formi senza materia oscura è la nana mareale, un sistema di stelle nato dai detriti di galassie più grandi dopo collisioni o incontri ravvicinati. In genere, però, le nane mareali sono giovani e non si prevede che ospitino ammassi globulari. Di solito sono solo zone generatrici di stelle che qualcosa ha estratto da galassie «genitrici» molto più vecchie. DF2 e DF4, al contrario, sono vecchie e circondate da grandi popolazioni di alcuni degli ammassi globulari più massicci e luminosi mai osservati. Queste galassie non erano nane mareali. Erano qualcosa di completamente nuovo, non previsto da nessuno degli attuali modelli di formazione.
Come sono arrivate a questa situazione? Secondo un’ipotesi, nel corso del tempo le forze gravitazionali avrebbero allontanato la materia oscura dalle galassie, processo noto come «spogliamento mareale» (tidal stripping). Ma anche le stelle e i sistemi di ammassi globulari di queste galassie non corrispondevano a quanto ci saremmo aspettati da quello scenario. Fino al 2019 nessuna teoria o simulazione era in grado di spiegare appieno tutte le proprietà osservate.
Poi nel 2019 Joseph Silk, astrofisico della Johns Hopkins University, ha proposto lo «scenario della nana proiettile» per spiegare DF2. I suoi modelli hanno mostrato che una collisione ad alta velocità tra due galassie nane con la giusta angolazione potrebbe separare la materia visibile e quella oscura; l’impatto creerebbe anche un’intensa pressione che può innescare la formazione di ammassi globulari insolitamente luminosi. Questo modello trae ispirazione da un gruppo di galassie molto più grande e ben noto, che si chiama Ammasso del Proiettile.
Questo ammasso è una delle prove osservative più sorprendenti della materia oscura. Confrontando le visualizzazioni a raggi X (che mostrano il gas caldo) con quelle della gravità basate sulla curvatura della luce che attraversa la regione (che mostrano la massa totale), gli astronomi hanno constatato che in questo ammasso la materia oscura e quella visibile sono separate. Non si sovrappongono. La spiegazione più plausibile è che in seguito alla collisione di due ammassi più piccoli la materia oscura sia passata oltre, mentre le stelle e il gas abbiano interagito, facendo sì che la materia visibile rimanesse indietro.
L’ipotesi della nana proiettile propone una versione in miniatura di questo stesso scenario. Due galassie nane si scontrarono e la materia oscura passò intatta. Il gas, invece, collise e produsse onde d’urto, innescando esplosioni stellari e la formazione di enormi ammassi globulari. Ne emersero nuove galassie, ricche di stelle ma prive di materia oscura.
Se l’idea è corretta, questi sistemi non sono semplici stranezze esotiche. Sono laboratori in cui indagare la natura fondamentale della materia oscura. Il fatto che, a quel che pare, la materia oscura avrebbe attraversato l’impatto senza interagire, mentre il gas entrava in collisione e subiva un urto, pone limiti all’intensità con cui possono interagire tra loro le particelle di materia oscura. In altre parole, le galassie nane prive di materia oscura possono contribuire a escludere alcuni modelli di particelle e ad affinare le nostre teorie su come si formano le galassie.
Van Dokkum e i suoi collaboratori hanno poi esteso questa idea al di là di DF2. Hanno proposto che essa, DF4 e forse addirittura un’intera serie di altre galassie siano tutte nate dalla stessa antica collisione nel gruppo NGC 1052. Dato che le galassie progenitrici non rimasero distrutte, hanno continuato a muoversi, lasciandosi dietro una scia di nuove galassie formate dal gas strappato via. Queste galassie, prive di materia oscura ma ricche di stelle e di ammassi globulari, ora tracciano un percorso lineare attraverso il gruppo. A seconda di come si è distribuita la materia, alcune galassie della scia possono avere più o meno ammassi globulari, ma hanno tutte le stesse proprietà fondamentali. Il numero di galassie formate in un simile evento dipende dalla quantità di gas disponibile e da come si è dispersa la materia. Nel caso del gruppo NGC 1052, questo processo potrebbe aver prodotto fra 7 e 11 galassie.
Fino a poco tempo fa, questa idea era stata proposta solo per le galassie del gruppo NGC 1052, il che faceva ritenere che fossero il risultato di un raro caso fortuito. I ricercatori che hanno avanzato questa ipotesi, però, stimavano che questo tipo di evento potesse verificarsi circa otto volte in una sfera del raggio di 65 milioni di anni luce. Di galassie di questo tipo ce ne dovrebbero essere in abbondanza, dunque, ma fino a quest’anno non erano stati trovati altri casi certi.
È qui che entra in gioco il mio lavoro. Io e i miei colleghi volevamo cercare altrove oggetti simili per capire se le galassie carenti di materia oscura fossero una rarità oppure facessero parte di una classe più ampia. Così siamo arrivati a FCC 224, una galassia alla periferia dell’Ammasso della Fornace, a circa 60 milioni di anni luce di distanza. Questo oggetto è stato identificato per la prima volta nel 2020 e chi lo ha studiato si è immediatamente incuriosito per la luminosità dei suoi ammassi globulari, simile a quella di DF2 e DF4.
Il nostro approccio alla galassia è stato triplice. Innanzitutto, abbiamo chiesto di osservarla con l’Hubble Space Telescop che, grazie alla sua elevata risoluzione, ci avrebbe permesso di studiare in dettaglio gli ammassi globulari. Abbiamo anche fatto domanda per due dei più grandi telescopi terrestri: il Keck Observatory, alle Hawaii, e il Very Large Telescope (VLT), in Cile. Ogni struttura ha i propri pregi. Il Keck Cosmic Web Imager offre un’alta risoluzione ma con un campo visivo ridotto, mentre lo strumento Multi Unit Spectroscopic Explorer del VLT copre un’area maggiore ma con una risoluzione inferiore. Alla fine ci sono stati concessi tutti e tre. I dati di Hubble hanno confermato la natura insolitamente luminosa degli ammassi globulari in uno studio effettuato da Yimeng Tang, dottorando dell’Università della California a Santa Cruz. Abbiamo poi usato i dati del Keck per studiare le stelle e misurarne la velocità, ottenendo una conferma dell’assenza di materia oscura. I dati del VLT sono arrivati in seguito, e li stiamo ancora analizzando.
Questi ricchi insiemi di dati hanno rivelato che FCC 224 condivide molte delle proprietà di DF2 e DF4, oltre all’assenza di materia oscura. Le caratteristiche comuni ci forniscono anche una sorta di ricetta per trovare altre galassie prive di materia oscura. Tutti e tre gli esempi noti presentano sistemi ricchi di ammassi globulari luminosi, ospitano stelle vecchie e hanno stelle della stessa età degli ammassi globulari. Quest’ultimo fatto è particolarmente insolito. Gli ammassi globulari sono in genere molto più vecchi della popolazione generale di stelle nella stessa galassia. In queste tre galassie, invece, sembra che le stelle e gli ammassi globulari si siano formati nello stesso momento e dallo stesso materiale.
Se FCC 224 si è formata in una situazione di scia di nane proiettili come le altre due galassie, è possibile che ci sia una sequenza di galassie nelle vicinanze che si sono formate nella stessa collisione. Così sono andata a caccia, ed è stato allora che ho trovato FCC 240, che presentava un aspetto straordinariamente simile e aveva popolazioni stellari identiche. Tutto fa pensare che FCC 224 e FCC 240 costituiscano una coppia di gemelle, esattamente come DF2 e DF4. La scoperta è stata così entusiasmante che ho chiesto e ricevuto altri dati di VLT per misurare le velocità delle stelle di FCC 240. Lo studio è ancora in corso e non sappiamo ancora la risposta, ma è emozionante far parte dell’indagine in divenire. Se scopriremo che anche FCC 240 è priva di materia oscura, ciò potrebbe suggerire che questi sistemi si presentino sempre in coppia o in gruppo.
La scoperta di varie galassie con queste proprietà ci pone molti nuovi interrogativi. Non possono essere rare anomalie legate a un singolo gruppo o ambiente: appaiono in parti diverse dell’universo e i nostri modelli devono tenerne conto. Come fa una galassia nana a formarsi o a sopravvivere senza materia oscura? Si dibatte su diverse idee in proposito.
Per capire meglio queste galassie dobbiamo trovarne altre e migliorare le simulazioni e i modelli teorici dell’universo. Saranno essenziali le osservazioni a campo ampio del cielo profondo. L’Osservatorio Vera C. Rubin, recentemente completato in Cile, è uno degli strumenti che potranno rivelarsi utili. Nel corso del prossimo decennio il programma Legacy Survey of Space and Time di questo osservatorio otterrà ripetutamente immagini dettagliatissime del cielo australe. Tra le galassie che scoprirà, è possibile che alcune abbiano le stesse caratteristiche di DF2, DF4, FCC 224 e forse FCC 240.
C’è un aspetto interessante e circolare in tutto questo. Il nuovo osservatorio prende il nome dall’astronoma Vera C. Rubin, i cui studi pionieristici sulla rotazione delle galassie furono tra le prime indicazioni della possibile esistenza della materia oscura. Ora il telescopio che porta il suo nome forse ci aiuterà a comprendere meglio le galassie che ne sono prive. Aggiungendo un piccolo colpo di scena moderno, i dati dell’Osservatorio Rubin saranno probabilmente elaborati con l’ultimo chip per l’intelligenza artificiale messo a punto dall’azienda tecnologica Nvidia, chiamato Rubin: Rubin aiuterà Rubin a trovare galassie che sfidano la scoperta di Rubin.
Per me, tutto è iniziato con una discussione in aula, e ora è al centro della mia ricerca. L’idea che alcune galassie si possano formare senza materia oscura contraddice uno dei presupposti fondamentali di quello che comprendiamo sulla formazione delle galassie. Non sappiamo ancora con quale frequenza accada o come si siano formate queste galassie. Ma sappiamo che sono reali. E questo è un mistero che vale la pena indagare.
