Introduzione
Nel 2016, gli astronomi guidati da Pieter van Dokkum dell'Università di Yale pubblicato una carta bomba sostenendo la scoperta di una galassia così debole, eppure così ampia e pesante, che deve essere quasi del tutto invisibile. Hanno stimato che la galassia, soprannominata Dragonfly 44, è composta per il 99.99% da materia oscura.
Ne è seguito un acceso dibattito sulle proprietà di Dragonfly 44 che rimane irrisolto. Nel frattempo, sono emerse più di 1,000 galassie altrettanto grandi ma deboli.
Dragonfly 44 e i suoi simili sono conosciuti come galassie ultra-diffuse (UDG). Sebbene possano essere grandi quanto le più grandi galassie ordinarie, le UDG sono eccezionalmente deboli, così deboli che, nelle indagini del cielo con il telescopio, "è un compito filtrare il rumore senza filtrare accidentalmente queste galassie", ha affermato Paul Bennet, un astronomo presso lo Space Telescope Science Institute di Baltimora. Il brillante gas di formazione stellare che abbonda in altre galassie sembra essere svanito negli UDG, lasciando solo uno scheletro di stelle anziane.
La loro esistenza ha suscitato scalpore nella teoria evolutiva galattica, che non è riuscita a prevederli. "Non si sono presentati nelle simulazioni", ha detto van Dokkum. "Devi fare qualcosa di speciale per rendere una galassia così grande e debole."
Sono emerse nuove teorie selvagge per spiegare come sono nati Dragonfly 44 e altri UDG. E queste gigantesche macchie di luce potrebbero fornire nuove prove della mano invisibile della materia oscura.
Troppa materia oscura
Poiché la gravità unisce grumi di gas e stelle, le loro energie e quantità di moto combinate fanno sì che il mashup si gonfi e ruoti. Alla fine emerge una galassia.
C'è solo un problema. Quando le galassie ruotano, dovrebbero separarsi. Non sembrano avere abbastanza massa - e quindi gravità - per restare uniti. Il concetto di materia oscura è stato inventato per fornire la gravità mancante. In questa immagine, una galassia si trova all'interno di un più ampio conglomerato di particelle non luminose. Questo "alone" di materia oscura tiene insieme la galassia rotante.
Un modo per stimare la velocità di rotazione di una galassia, e quindi il suo contenuto di materia oscura, è contare i suoi ammassi sferici di stelle. "Non sappiamo perché, da un punto di vista teorico", ha detto Bennet, ma il numero di questi "ammassi globulari" è strettamente correlato a quelle proprietà più difficili da misurare. Nel documento del 2016, van Dokkum ha contato 94 ammassi globulari all'interno di Dragonfly 44, un numero che implicava un alone di materia oscura straordinariamente grande, nonostante la poca materia visibile della galassia.
Nessuno aveva mai visto niente del genere. Van Dokkum e coautori hanno suggerito che Dragonfly 44 potrebbe essere una "Via Lattea fallita": una galassia con un alone di materia oscura delle dimensioni della Via Lattea che ha subito un evento misterioso all'inizio che l'ha derubata del suo gas di formazione stellare, lasciandola con nient'altro che stelle invecchiate e un alone gigante.
O nessuna materia oscura
L'oggetto ha attirato l'interesse di un altro campo di astronomi che sostengono che la materia oscura non esiste affatto. Questi ricercatori spiegano la gravità mancante delle galassie modificando invece la legge di gravità di Newton, un approccio chiamato dinamica newtoniana modificata o MOND.
Secondo MOND, la forza gravitazionale modificata per ciascuna galassia è calcolata dal rapporto massa-luce delle sue stelle: la loro massa totale divisa per la loro luminosità. I teorici di MOND non speculano sul motivo per cui la forza dovrebbe dipendere da questo rapporto, ma la loro formula ad hoc corrisponde alle velocità osservate della maggior parte delle galassie, senza la necessità di invocare la materia oscura.
Quando è arrivata la notizia di Dragonfly 44, il sostenitore di MOND Stacy McGaugh, un astronomo della Case Western Reserve University, ha calcolato dal suo rapporto massa-luce che dovrebbe ruotare più lentamente di quanto indicato dalla stima iniziale di van Dokkum. Il calcolo MOND non sembrava adattarsi ai dati.
Introduzione
Ma poi nel 2019, il gruppo di van Dokkum ha declassato la velocità di rotazione di Dragonfly 44 utilizzando dati migliorati. MOND è stato rivendicato. "Dragonfly 44 è un esempio di come questi dati si evolvono per concordare con MOND", ha affermato McGaugh.
Tuttavia, per la maggior parte degli astronomi, che credono nella materia oscura, la velocità di rotazione più lenta implicava semplicemente che l'alone di Dragonfly 44 è più piccolo di quanto pensassero. Nel 2020, un gruppo indipendente ha ulteriormente ridimensionato l'alone contando ammassi globulari notevolmente inferiori, ma van Dokkum contesta questo risultato. Sebbene le dimensioni dell'alone rimangano incerte, potrebbe essere meno massiccio di quanto inizialmente supposto, suggerendo che Dragonfly 44 dopotutto non è una Via Lattea fallita.
Grande Vecchia Galassia
Una stranezza appena scoperta ha aggravato il mistero.
In un documento pubblicato ad agosto, il gruppo di van Dokkum ha scoperto che Dragonfly 44 è estremamente antico, essendosi formato tra 10 e 13 miliardi di anni fa.
Ma una galassia così vecchia non dovrebbe essere grande come Dragonfly 44. Gli oggetti del primo universo tendono ad essere più compatti perché si sono formati prima della rapida espansione dell'universo.
Inoltre, una galassia così vecchia e logora dovrebbe essere stata completamente fatta a pezzi ormai. Il fatto che Dragonfly 44 abbia tenuto insieme implica che dopotutto abbia un pesante alone di materia oscura, che potenzialmente ripristina l'ipotesi della "Via Lattea fallita". "Questa è una spiegazione davvero divertente, ecco perché mi piace, ma non so se è giusta", ha detto van Dokkum.
Un'altra spiegazione, l'ipotesi dell'"alto spin", postula che due piccole galassie si siano fuse ruotando nella stessa direzione, in modo tale che la galassia risultante, Dragonfly 44, abbia acquisito il momento angolare di entrambe. Ciò lo ha fatto ruotare più rapidamente, gonfiandolo e facendo esplodere il suo materiale di formazione delle stelle.
UDG incredibilmente diversi
Durante lo studio di Dragonfly 44, gli astronomi hanno anche catalogato una vasta e diversificata collezione di altre galassie ultra diffuse. I risultati li stanno costringendo a concludere che le galassie si formano in più modi di quanto sapessero.
Alcuni nuovi UDG sembrano mancare completamente di materia oscura. Il gruppo di Van Dokkum identificato una di queste galassie nel 2018, ha poi individuato una scia di altri nelle vicinanze. Questo maggio, la squadra congetturato in Natura che la scia si è formata in una lunga collisione di due galassie. La collisione ha rallentato il flusso di gas delle galassie, ma la loro materia oscura ha continuato a funzionare come se nulla fosse accaduto. Il gas si è poi compresso in gruppi di stelle, formando infine una serie di galassie prive di materia oscura.
Intanto Bennet scoperto due UDG nel 2018 che puntano a una diversa teoria della formazione. In ogni caso, le forze di marea provenienti da una pesante galassia vicina sembrano aver squarciato l'UDG, gonfiandolo e rubandone il gas. (Questo non può spiegare Dragonfly 44, che si trova troppo lontano dalle galassie pesanti.)
In modo sconcertante, un giornale di settembre ha riportato la formazione stellare recente in un UDG, contraddicendo l'idea che ospitano solo vecchie stelle.
Una tale gamma di UDG che sembrano uguali esternamente ma differiscono internamente può convalidare la teoria della materia oscura rispetto a MOND. "Se le stelle si muovono molto velocemente in una galassia e molto lentamente nell'altra, questo è un grosso problema per quelle teorie alternative", ha detto van Dokkum.
McGaugh ha convenuto che se ci sono "vere valori anomali" tra la popolazione UDG, "questo è davvero un problema per MOND". Tuttavia, ha aggiunto, "questo non rende automaticamente la materia oscura un'interpretazione migliore".
Le risposte definitive richiederanno nuovi telescopi. Il telescopio spaziale James Webb, appena operativo, ha già individuato galassie lontane come apparivano quando si stavano formando nell'universo primordiale, il che aiuterà a testare e perfezionare le idee nascenti.
"Il grande vantaggio è che non sappiamo ancora cosa c'è là fuori", ha detto van Dokkum. "Ci sono galassie che non abbiamo scoperto che sono molto grandi, molto vicine e hanno proprietà insolite, e non sono nei nostri cataloghi attuali anche dopo tutti questi decenni di studio del cielo".
