Lo studio della materia oscura (DM) è uno dei pilastri fondamentali della cosmologia. Questa forma di materia costituisce il 27% della massa dell’universo, ma la sua natura rimane ancora sconosciuta. Interagendo solo per via gravitazionale con la materia ordinaria, un approccio per analizzarne le proprietà è studiare i flussi stellari intorno alle galassie.
Pressoché tutte le galassie sono avvolte in estese regioni di DM che funge da impalcatura per le strutture cosmiche in ogni ordine di scala. Questi aloni, parte integrante del modello cosmologico Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM), hanno densità a distribuzione non uniforme e sono fondamentali nella formazione galattica. Gli astronomi ritengono che tale processo avvenga per progressivo accrescimento gerarchico, mediante cattura e assorbimento di piccole galassie.
Strumenti utilissimi
I flussi stellari sono strumenti utilissimi per sondare gli aloni di DM delle galassie a causa della loro sensibilità al potenziale gravitazionale . Quando le forze gravitazionali sferzano una galassia satellite o un ammasso globulare, le stelle strappate formano un flusso che traccia un’orbita nel potenziale della galassia ospite. Studiando la morfologia e le proprietà di tali flussi stellari, i ricercatori possono dedurre preziose informazioni sugli involucri invisibili.
Uno nuovo studio, con prima autrice Madison Walder (Dipartimento di Fisica, Università del Surrey) discute come le proprietà degli aloni di DM siano influenzate dai diversi modelli di particelle, come materia oscura fredda (CDM), materia oscura auto interagente (SIDM), materia oscura calda (WDM) e materia oscura “fuzzy” (eterogenea).
In base alle proprietà, cambiano gli effetti sulla distribuzione della densità e sulle sottostrutture all’interno degli aloni di DM. I flussi stellari diventano perciò efficaci strumenti nello studio delle proprietà dell’alone grazie alla loro sensibilità al potenziale gravitazionale della galassia ospite. Un centinaio di flussi stellari sono stati osservati attorno alla Galassia, fornendo dati per lo studio e la modellazione del suo potenziale gravitazionale delle sottostrutture di DM.
Strutture difficili da osservare
Rivolgendoci alle galassie esterne, le osservazioni di flussi oltre il Gruppo Locale presentano sfide dovute alle limitazioni nella qualità e nella disponibilità dei dati. Ciononostante, ricerche come lo Stellar Stream Legacy Survey (David Martínez-Delgado et al. 2023) permettono di avere un quadro chiaro della situazione da cui emerge che tutte le galassie, a prescindere dalle dimensioni, esibiscono tracce d’interazione.
Le osservazioni dal suolo permettono, tuttavia, solo lo studio dei flussi più luminosi, circa il 20% del campione esaminato. Questa è una forte limitazione che rende difficile l’adattamento accurato dei modelli. Nonostante queste sfide, l’uso di specifiche tecniche di elaborazione immagine e la modellazione, consentono di dedurre le proprietà dei flussi extragalattici e degli aloni in cui risiedono. Tecniche come il modello a “spruzzo di particelle” hanno successo nell’adattare i potenziali delle galassie con i flussi, fornendo informazioni sulle proprietà degli aloni DM.
Gli strumenti futuri
Si prevede che le future osservazioni dal suolo con l’Osservatorio Rubin e dallo spazio con il Nancy Grace Roman Space Telescope, il già operativo Euclid e i futuri ARRAKIHS e MOSAIC, riveleranno migliaia di flussi extragalattici accrescendo notevolmente la statistica. Tuttavia, i dati possono essere limitati nel rapporto segnale-rumore e nei dati bidimensionali che non ci dicono di più sulla loro struttura spaziale.
La modellazione computazionale
L’indagine punta a determinare l’informazione dei flussi extragalattici e si concentra sulla misurazione del profilo radiale degli aloni DM contemplando vari scenari. Analizzando flussi simulati, lo studio prova a stabilire le loro proprietà intrinseche e le implicazioni nella comprensione degli aloni di DM. Le orbite sono integrate all’indietro e in avanti per ottenere una traccia completa della corrente stellare. Segue quindi il confronto con modelli orbitali tramite una funzione di verosimiglianza per vincolare i parametri per valutare l’efficacia nel determinare le proprietà della sola DM.
Lo studio espone i risultati ottenuti con tali flussi fittizi aventi proprietà diverse e le informazioni che ne derivano sugli aloni. Quando si adattano modelli che utilizzano il solo tracciato del flusso, né il raggio della scala né la massa di DM sono calcolabili con precisione. Tuttavia, l’aggiunta di una singola misurazione di velocità radiale, porta a una stima più precisa del profilo radiale. Anche la massa di DM racchiusa è determinabile con maggiore precisione grazie all’aggiunta dei dati sulla velocità radiale.
La lunghezza conta
Inoltre, scopriamo che variando la lunghezza del flusso, quelli con più avvolgimenti attorno alla galassia ospite, forniscono più informazioni sul profilo radiale, indipendentemente dalla forma. Seguendo i flussi più lunghi, la maggior parte delle informazioni sul profilo radiale del potenziale di materia oscura è determinata dall’inclinazione, seguito dall’eccentricità e dall’apocentro. Misurando la massa di DM inclusa, i flussi con basse eccentricità, seguiti da quelli con proprietà orbitali moderate, e poi quelli con apocentri nell’alone esterno sono i più informativi.
Infine, altre misurazioni aggiuntive della velocità radiale rafforzano ulteriormente i vincoli e aiutano a superare degenerazioni e bias. Le misurazioni della massa di DM racchiusa diventano così più accurate all’aumentare della lunghezza del flusso.
Utili anche con dati di bassa qualità
Nel complesso, lo studio dimostra l’utilità dei flussi stellari per dedurre le proprietà dell’alone di DM nelle galassie esterne, nonostante la mancanza di dati di alta qualità (2D e 3D). In particolare, sono decisive sia le posizioni dei flussi stellari in cielo sia le misurazioni della velocità radiale nelle strutture per migliorare l’accuratezza e la precisione dei parametri dell’alone di materia oscura.
