ABSTRACT

Nell’intricato scenario delle galassie nane, un’intensa battaglia tra effetti della dinamica stellare e materia oscura decide il destino del rapporto M/L. Mentre la spoliazione mareale e le binarie non risolte tentano di influenzare la partita, la materia oscura rivendica la sua presenza indiscussa. Riuscirà costei ad avere l’ultima parola, ole stelle faranno finalmente luce su misteri ancora insondati?

Materia oscura o effetti dinamici? Un’analisi delle galassie nane

La materia oscura rappresenta uno dei più grandi enigmi della cosmologia moderna. Nonostante la sua natura elusiva, si ritiene che essa costituisca circa l’85% della massa totale del cosmo. Dai MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects), ossia oggetti compatti di alone, alle particelle esotiche massive e debolmente interagenti che vanno sotto il nome di WIMPs (Weakly Interactive Massive Particles), svariate sono state le speculazioni fatte per identificare la composizione della materia oscura, nessuna delle quali, però, ancora verificata sperimentalmente. Ad oggi, infatti, l’esistenza della materia oscura viene ancora dedotta solo indirettamente sfruttandogli effetti gravitazionali che essa produce su galassie e ammassi di galassie.

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Uno degli indizi più evidenti a supporto della materia oscura è l’anomalo rapporto massa-luminosità (M/L) osservato soprattutto nelle galassie nane satelliti della Via Lattea. Spesso definite “fossili dell’universo primordiale” in quanto formatesi ad alto redshift cosmologico, le galassie nane vengono annoverate non soltanto tra le più antiche strutture presenti nell’universo conosciuto, ma anche tra quelle più oscure, poiché la loro massa misurata utilizzando il moto delle stelle membro (massa dinamica) raggiunge valori estremamente elevati a fronte di quella ottenuta dal conteggio di queste (massa luminosa).

Venendo la massa totale di un sistema stellare tipicamente calcolata come somma delle masse delle stelle che lo compongono, ci si aspetta che massa e luminosità abbiano andamento correlato: un sistema ricco di stelle dovrebbe cioè essere contemporaneamente luminoso e massivo. Questo ragionamento sembra peraltro non valere per le galassie nane, che risultano massive seppur poco luminose per via della mancata coincidenza tra le due stime di massa.

La discrepanza tra massa dinamica e luminosa nelle galassie nane ha indotto  quindi gli scienziati a postulare che queste ultime siano dominate dalla materia oscura, nella convinzione che l’eccesso di massa responsabile dell’aumento del rapporto M/L debba necessariamente essere attribuito a qualcosa di diverso dalle stelle. Tuttavia, alcuni studi di dinamica stellare, la branca dell’astrofisica che utilizza i moti e le interazioni tra stelle per spiegare le proprietà dei loro sistemi ospiti, hanno avanzato delle interpretazioni alternative a tale fenomeno. Esse si concentrano su un parametro cinematico noto come dispersione di velocità, che fornisce una misura statistica della variabilità delle velocità stellari rispetto alla velocità media sistemica. In sostanza, la dispersione di velocità indica quanto le velocità delle stelle possano discostarsi dal valore più probabile atteso per identificare i membri della galassia considerata. Secondo il teorema del viriale, che stabilisce il rapporto tra l’energia cinetica e l’energia potenziale di un sistema stellare in equilibrio gravitazionale, la massa dinamica cresce rapidamente all’aumentare della dispersione di velocità. Pertanto, la sovrastima della dispersione di velocità si traduce immediatamente nell’inflazione della massa dinamica, provocando un effetto analogo a quello di un eccesso di massa sul rapporto M/L. In particolare, la spoliazione mareale (tidal stripping) e le stelle binarie non risolte sono stati proposti come possibili meccanismi contribuenti all’incremento della dispersione delle velocità stellari, senza la necessità di invocare una cospicua quantità di materia oscura aggiuntiva.

Sorge dunque spontanea la fatidica domanda: esiste davvero la materia oscura, oppure il problema della sovrastima della massa delle galassie nane può trovare  una diversa giustificazione fisica?

Spoliazione mareale: una perdita di stelle piuttosto complicata

Con l’espressione spoliazione mareale si fa riferimento al processo di perdita di massa subito da una galassia satellite ad ogni passaggio al pericentro della sua orbita attorno alla galassia principale. Tale meccanismo prevede che le stelle situate nelle regioni più esterne delle galassie nane vengano strappate dalle forze mareali originate dalle differenze nel campo gravitazionale della galassia ospite. Infatti, il campo gravitazionale di un corpo massiccio non è uniforme: esso è più forte nei pressi del corpo e diminuisce con la distanza. Ciò fa sì che i corpi minori al suo interno sperimentino un’attrazione gravitazionale maggiore nelle parti più vicine rispetto a quelle più lontane. Ne deriva che l’accelerazione di gravità impartita alle stelle dei sistemi sottoposti a forze mareali dipende dalla loro posizione, con il conseguente sviluppo di un gradiente di velocità. In questo modo, le stelle perse, distribuite lungo code mareali che si dipartono dalla galassia madre (Fig. 2), saranno caratterizzate da velocità estremamente variabili, di intensità proporzionale al campo gravitazionale esterno.

Ora, il gradiente di velocità introdotto dalle forze mareali comporta che le stelle strappate mostrino una dispersione di velocità più ampia: ergo, se la linea di vista dell’osservatore passa vicino a una delle code mareali, la probabilità di intercettare stelle non più legate alla galassia nana aumenta, anche a piccole distanze proiettate dal centro di questa (Fig. 3). L’inclusione di tali stelle nel campione misurato conduce ad una sovrastima della dispersione di velocità fino al 20% nel caso specifico di osservazioni nella direzione di estensione della coda. Eppure, il corrispondente fattore di inflazione della massa dinamica si rivela insufficiente a rendere conto del rapporto M/L associato alle galassie nane sferoidali nell’alone della Via Lattea.

Binarie non risolte, furbe ingannatrici della dispersione di velocità

Un altro elemento che può influenzare significativamente la dispersione di velocità nelle galassie nane è la presenza di stelle binarie, coppie di stelle legate gravitazionalmente e orbitanti intorno ad un comune baricentro. Invero, le stelle singole si muovono seguendo le dinamiche generali della galassia ospite, mentre le binarie sono contraddistinte da un moto aggiuntivo, detto orbitale, dovuto alla stella compagna. Questo moto viene considerato spurio in quanto avente un effetto inquinante sulla dispersione di velocità, essendo causa del suo aumento rispetto al valore intrinseco.
Ma cosa si intende per valore intrinseco della dispersione di velocità di un sistema stellare? Immaginiamo una coppia di stelle piuttosto vicine tra loro e supponiamo che siano entrambe risolte, ossia distinguibili mediante l’uso di un telescopio o l’analisi del loro spettro luminoso: esse potranno quindi essere trattate come un unico oggetto determinando massa, posizione e velocità del corrispettivo baricentro. Il valore intrinseco della dispersione di velocità sarà perciò quello ricavato dalle velocità delle stelle singole, che sono prive di una compagna, e dai baricentri delle binarie. D’altro canto, qualora le componenti di un sistema binario non vengano opportunamente distinte, risulterà impossibile individuarne il baricentro condiviso e stabilire il valore intrinseco della dispersione di velocità, giacché esse verranno scambiate per stelle singole e il loro moto orbitale non verrà rimosso al momento della misura della dispersione di velocità. Da qui la logica deduzione che addizionare il moto orbitale a quello di baricentro può sfociare in una crescita drammatica della dispersione di velocità laddove il numero di stelle binarie non risolte sia elevato. Inoltre, la velocità delle componenti di una stella binaria è vincolata ai parametri orbitali del semiasse maggiore (la distanza tra le componenti) e dell’eccentricità (il grado di schiacciamento dell’orbita). Ebbene, se il contributo dell’eccentricità può essere ritenuto trascurabile, per converso quello del semiasse maggiore ha un peso notevole, poiché quanto più esso è corto, tanto più la velocità è alta. Diminuendo allora il valore del semiasse maggiore, il che equivale ad avvicinare le componenti delle binarie affinché diventino più strette, si ottiene un incremento della dispersione di velocità e, parimenti, della massa dinamica.
Due sono, in definitiva, gli ingredienti imprescindibili della ricetta per massimizzare la contaminazione da parte del moto orbitale: una frazione di binarie non risolte non troppo esigua e un relativo intervallo di semiassi maggiori non troppo largo.
Resta, infine, da valutare la dipendenza di tali condizioni dall’ambiente, le cui caratteristiche giocano un ruolo fondamentale sul tasso di sopravvivenza della popolazione binaria che contengono. A tal proposito, emerge che nei sistemi stellari più massicci le frequenti interazioni gravitazionali dovute alla maggiore densità di stelle portano alla disgregazione delle binarie più larghe e instabili, riducendone la frazione nel tempo (Fig. 4). È questo il motivo per cui le galassie nane ultra-faint, meno massive e luminose della loro controparte sferoidale, si configurano come principali candidate a testare l’impatto delle stelle binarie non risolte sulla dispersione di velocità. E, in effetti, i più recenti modelli teorici, validati per mezzo dei dati osservativi, riportano un aumento della dispersione di velocità addirittura del 40% nelle galassie nane ultra-faint, ma non eccedente la soglia del 30% in quelle sferoidali, con un effetto amplificato alle alte frazioni di binarie e alle basse lunghezze dei semiassi. Ne discende che solo nel primo caso le stelle binarie non risolte partecipano in maniera sostanziale all’inflazione del rapporto M/L, pur rimanendo complementari alla materia oscura.

La materia oscura vince la partita

In conclusione, nessuna delle ipotesi avanzate dalla dinamica stellare pare in grado di eliminare completamente l’esigenza di integrare la materia oscura nel contesto delle galassie nane satelliti della Via Lattea. Difatti, né la spoliazione mareale né le binarie non risolte forniscono un apporto abbastanza rilevante alla sovrastima della massa dinamica di tali sistemi per giustificare i valori misurati del rapporto M/L. Nondimeno, la consapevolezza delle ripercussioni che questi meccanismi possono avere sulla dispersione di velocità estrapolata dagli spettri stellari è cruciale per assicurare l’accuratezza del campione di oggetti selezionato per effettuarne il calcolo. Ecco perché le galassie nane si confermano laboratori naturali ideali per lo studio della materia oscura nell’universo locale.

Un altra prova a favore dell’esistenza della materia oscura, dunque? Risposta affermativa, ma attenzione a non dimenticare l’importanza degli effetti dinamici!

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L’articolo è pubblicato in COELUM 269 VERSIONE CARTACEA