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MOND vs Materia Oscura: Nuove Prove Sostengono la Gravità Modificata

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Anello di materia oscura attorno ad un ammasso di galassie. Crediti: ESA/Hubble.
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Gravità modificata per rimuovere la materia oscura: nuove prove a favore della MOND

Galassie con massa superiore a 1011 𝑀⊙ esistevano già 10 Gyr fa, ma solo una minima frazione di esse (circa 0.1%) è sopravvissuta inalterata sino ad oggi perché non interessata da lunghe e ripetute fasi di formazione stellare né da fusioni con galassie limitrofe: si tratta delle cosiddette galassie fossili compatte e massicce. Seguendo il diagramma a diapason di Hubble, tali galassie ricadono nella categoria “early-type” (i.e., tipo primitivo) e possono essere classificate come ellittiche (E0-E7, a seconda del grado di ellitticità) o lenticolari (S0). Il modello cosmologico standard (i.e., ΛCDM) suggerisce che la formazione galattica obbedisca allo schema dell’assemblamento gerarchico: in tale scenario, quasi tutte le attuali galassie early-type (i.e., early-type galaxies, ETGs) nascerebbero quindi come galassie compatte e quiescenti ad alto redshift, rapidamente cresciute in massa a seguito dell’inglobamento di sistemi minori e contraddistinte da un’ormai cessata attività di formazione stellare.

Diagramma a diapason di Hubble, che distingue tra galassie di tipo
primitivo (early-type) e di tipo tardo (late-type). Crediti: COSMOS – The
SAO Encyclopedia of Astronomy.

Prima di una decina di anni fa, caratterizzare le galassie fossili compatte rappresentava un’operazione estremamente difficoltosa per via della mancanza di candidati osservati. Tuttavia, la recente scoperta di un campione di tali oggetti, NGC 1277, Mrk 1216 e PGC 032873, nell’Universo locale ha consentito di avviare uno studio più metodico e approfondito che ha portato ad individuare una serie di importanti proprietà fisiche, tra cui la forma allungata, l’alta velocità di rotazione, l’elevata dispersione di velocità e la presenza di popolazioni stellari molto vecchie. Al contrario delle comuni ETGs, però, queste tre galassie non avrebbero subito interazioni dinamiche e avrebbero anzi mantenuto sostanzialmente immutata la configurazione raggiunta al termine della fase più intensa di formazione stellare. Infatti, la loro storia di formazione stellare avrebbe avuto un picco nelle prime fasi di vita dell’Universo per poi declinare fino a spegnersi del tutto, fatto che avrebbe determinato la fine della loro evoluzione rendendole appunto fossili.

Poiché, in particolare, la struttura e la morfologia di NGC 1277 non trovano spiegazione all’interno del paradigma dell’assemblamento gerarchico, il quale prevede l’esistenza degli aloni di materia oscura, i noti ricercatori Robin Eappen e Pavel Kroupa hanno utilizzato il formalismo della dinamica newtoniana modificata (i.e.,Modified Newtonian Dynamics, MOND) per risalire al meccanismo di formazione delle galassie fossili compatte osservate. Teoria gravitazionale non-relativistica che generalizza l’azione classica della gravità, la MOND si propone di giustificare l’eccesso di massa nelle galassie, misurato a partire dall’associata curva di rotazione, senza chiamare in causa la materia oscura. Essa introduce dunque la costante 𝑎0 ≈ (1.2 ± 0.2) × 10−8cm s−2, avente le dimensioni di un’accelerazione, a marcare il confine tra due diversi regimi: per valori di accelerazione minori di 𝑎0 vigono le leggi della MOND (i.e., regime dinamico MOND), mentre per valori ad essa superiori rimangono valide le leggi della dinamica newtoniana e della relatività generale (i.e., regime dinamico classico). In pratica, la comparsa di una nuova accelerazione cosmologica comporta la modifica dell’azione della gravità all’interno del regime MOND. Per tale ragione, la formazione di strutture galattiche secondo la MOND avviene molto più in fretta rispetto alle predizioni del modello ΛCDM: ergo, al posto dell’assemblamento gerarchico si avrà il collasso monolitico della materia presente nell’Universo primordiale. Ciò significa che le nubi di gas non rotanti originatesi dopo il Big Bang collassano su se stesse in modo isolato e senza necessitare dell’intervento della materia oscura, che viene di conseguenza esclusa dall’intero processo.

Tasso di formazione stellare del modello e39, che
risulta massimo entro 4 Gyr (area color indaco).
Crediti: arXiv.

Le galassie fossili compatte, in quanto sistemi stellari non-relativistici, rientrano nel regime MOND e possono pertanto essere studiate come naturale esito dello scenario cosmologico del collasso monolitico. Sfruttando i modelli computazionali di tali galassie precedentemente realizzati da Eappen, costui e Kroupa hanno scelto tra questi la galassia simulata “e39” per effettuare un confronto diretto con NGC 1277, Mrk 1216 e PGC 032873.

Profilo di densità superficiale del modello e39 (linea blu) confrontato con quelli delle galassie osservate NGC 1277, Mrk 1216 e PGC 032873 (linee rossa, viola e verde). Crediti: arXiv.

L’analisi delle proprietà cinematiche di queste ha rivelato una forte similitudine con quelle di e39, come l’alta velocità di rotazione e l’elevata dispersione di velocità centrale. Inoltre, la formazione stellare in e39 appare pressoché conclusa entro 4 Gyr dopo il Big Bang, andando quindi a coprire l’intervallo temporale di 2 Gyr in cui sono state generate le stelle delle tre galassie esaminate. Infine, l’andamento piuttosto ripido del profilo di densità di massa di e39 risulta comparabile a quello osservato; nello specifico, si trova una maggiore corrispondenza tra e39 e NGC 1277, dato anche il valore condiviso della massa stellare totale (i.e., 𝑀∗≈ 1011𝑀⊙, in conformità con l’aspettativa teorica).

 

 

Profilo di velocità di rotazione del modello e39
(linea blu) confrontato con quelli delle galassie
osservate NGC 1277, Mrk 1216 e PGC 032873
(linee rossa, viola e verde). Crediti: arXiv.

 

 

Profilo di dispersione di velocità del modello e39
(linea blu) confrontato con quelli delle galassie
osservate NGC 1277, Mrk 1216 e PGC 032873
(linee rossa, viola e verde). Crediti: arXiv.

 

 

 

 

 

Una scoperta notevole, insomma, che evidenzia l’emergere spontaneo delle galassie fossili compatte all’interno dell’Universo dipinto dalla MOND, in cui l’azione della materia oscura nel processo di formazione galattica può diventare superflua. Se questa teoria sia in grado di far traballare pericolosamente il modello cosmologico standard, solo il futuro potrà dirlo. Ma, grazie al telescopio spaziale James Webb (JWST) e alla missione Euclid, ne sapremo presto di più.

 

Fonte:arXiv.