Le stelle vicino al centro della nostra galassia si comportano in modo strano. La materia oscura potrebbe essere la spiegazione.
La funzione della materia oscura
Un team di studiosi ha scoperto una potenziale nuova classe di stelle che potrebbe esistere entro un anno luce dal centro della Via Lattea e che potrebbe funzionare secondo un meccanismo insolito: l’annichilazione della materia oscura.
Questo processo produrrebbe sulle stelle una pressione verso l’esterno diversa dalla fusione dell’idrogeno , impedendo loro di collassare gravitazionalmente e rendendole essenzialmente immortali, poiché la loro giovinezza si rinnova costantemente. I risultati sono pubblicati sul server di prestampa arXiv .
Collettivamente, le stelle alimentate dalla materia oscura occuperebbero una nuova regione di un diagramma consolidato da tempo che classifica le stelle in base alla loro temperatura e luminosità, collocandole lontano dalla cosiddetta sequenza principale dove esiste la stragrande maggioranza delle stelle.
Osservare il nostro Centro Galattico, attorno al quale ruotano le stelle della galassia, è piuttosto difficile, poiché la regione è estremamente luminosa. Al centro si trova un buco nero supermassiccio , Sagittarius A*, con una massa quattro milioni di volte quella del Sole.
È una sorgente luminosa di onde radio ed è stata ripresa nel 2022 . Le stelle vicine a Sgr A* orbitano intorno ad essa a velocità di diverse migliaia di chilometri al secondo (rispetto alla velocità orbitale del sole di 240 km/s).
Queste stelle interne e vicine, chiamate stelle dell’ammasso S, sono molto sconcertanti, con proprietà diverse da tutte le altre nella Via Lattea. La loro provenienza è sconosciuta, poiché l’ambiente entro circa tre anni luce dal centro è considerato ostile alla formazione stellare. Sembrano molto più giovani di quanto ci si aspetterebbe se si fossero trasferiti da qualche altra parte.
La cosa più misteriosa di tutte è che sembrano insolitamente giovani, con meno stelle più vecchie nelle vicinanze del previsto e, inaspettatamente, sembrano esserci molte stelle pesanti.
Le stelle sono forni nucleari, che generano calore bruciando idrogeno attraverso la fusione nucleare. La radiazione termica derivante da questa reazione, così come la convezione termodinamica del plasma stellare, esercita una forza verso l’esterno sui costituenti di una stella, principalmente idrogeno ed elio. Quella forza è bilanciata dalla forza interiore dell’autogravità.
Il diagramma Hertzsprung-Russell (HR) classifica le stelle tracciando la loro luminosità rispetto alla temperatura effettiva della loro superficie. Escludendo le nane bianche e le giganti rosse, la “sequenza principale” di questo diagramma curva da in alto a sinistra a in basso a destra, e la maggior parte delle stelle cade su questa curva. (Il sole cade vicino al centro, poiché la loro luminosità è rappresentata dal rapporto con quella del sole). Le stelle in posizioni diverse nella sequenza corrispondono a stelle di diversa massa ed età.
Nella galassia esiste anche la materia oscura. La sua presenza è stata dedotta da osservazioni che hanno riscontrato che la materia ordinaria non è sufficiente per spiegare le velocità di rotazione più elevate del previsto delle stelle attorno al Centro Galattico.
La densità della materia oscura è massima vicino al centro e diminuisce man mano che ci si allontana da esso. È ragionevole aspettarsi che venga incorporato nelle stelle vicine al centro, dove la materia oscura è più densa.
Se così fosse, l’annichilazione della materia oscura – particelle e antiparticelle di materia oscura che si scontrano e producono fotoni, elettroni, ecc. – eserciterebbe un’ulteriore pressione verso l’esterno all’interno di una stella e potrebbe persino prevalere sulla fusione nucleare.
Un gruppo di ricerca di Stoccolma e Stanford ha scoperto che incorporando il potere della materia oscura nella dinamica delle stelle più interne, quelle entro circa un terzo di anno luce dal centro (equivalenti a circa l’8% della distanza dalla stella più vicina al Sole) – risolve molti dei paradossi conosciuti.
Per incorporare l’annichilazione della materia oscura , il gruppo ha utilizzato parametri di formazione stellare relativamente standard nel corso evolutivo della Via Lattea e particelle di materia oscura solo leggermente più massicce del protone.
Utilizzando un modello computerizzato dell’evoluzione stellare, hanno ipotizzato che le stelle migrassero lungo la sequenza principale verso il Centro Galattico, quindi hanno iniziato a iniettare l’energia della materia oscura nella composizione della stella. La stella si è poi evoluta fino a raggiungere il ramo della gigante rossa sul diagramma HR, o fino a raggiungere un’età di 10 miliardi di anni, l’età della Via Lattea.
Hanno calcolato le popolazioni stellari senza e con la presenza di materia oscura. Con la materia oscura, le stelle più massicce hanno sperimentato una densità di materia oscura inferiore e l’idrogeno nel loro nucleo si è fuso più lentamente e la loro evoluzione è stata rallentata.
Le stelle in una regione con una densità di materia oscura più elevata sono cambiate in modo significativo: hanno mantenuto l’equilibrio attraverso la combustione della materia oscura con minore o nessuna fusione, il che ha portato a una nuova popolazione stellare in una regione HR sopra la sequenza principale.
“Le nostre simulazioni mostrano che le stelle possono sopravvivere utilizzando solo la materia oscura come combustibile”, ha affermato la coautrice principale Isabelle John dell’Università di Stoccolma, “e poiché c’è una quantità estremamente grande di materia oscura vicino al Centro Galattico, queste stelle diventano immortali, “rimanendo per sempre giovane, occupando una regione nuova, distinta e osservabile del diagramma HR.
Il loro modello della materia oscura potrebbe essere in grado di spiegare molti dei misteri conosciuti. “Nelle nostre simulazioni vediamo che le stelle più leggere diventano molto gonfie e potrebbero persino perdere parti dei loro strati esterni”, ha detto John. Ha osservato che “qualcosa di simile a questo potrebbe essere osservato al Centro Galattico: i cosiddetti oggetti G, che potrebbero essere simili a stelle, ma con una nuvola di gas attorno a loro”.
Si sa che un numero limitato di singole stelle esistono così vicine al Centro Galattico, poiché la regione è estremamente luminosa. I prossimi telescopi da 30 metri saranno in grado di vedere molto meglio nella regione, il che consentirà agli scienziati di comprendere meglio la popolazione delle sue stelle e verificare o escludere la sequenza principale oscura.
La materia oscura potrebbe aiutare a spiegare come i buchi neri supermassicci possano fondersi
Sebbene l’esatta natura della materia oscura continui a sfuggire agli astronomi, abbiamo acquisito una certa comprensione delle sue proprietà fisiche generali. Sappiamo come si raggruppa attorno alle galassie, come costituisce gran parte della materia nell’universo e persino come può interagire con se stesso. Uno studio esamina la velocità con cui può muoversi la materia oscura.
Lo studio si concentra su un effetto noto come attrito dinamico. Il termine è un po’ improprio poiché non è il tipo di attrito che si vede tra due oggetti che scivolano l’uno contro l’altro. Un termine migliore per descrivere l’effetto potrebbe essere resistenza gravitazionale. Fu studiato per la prima volta da Subrahmanyan Chandrasekhar nel 1943 ed è causato dalle interazioni gravitazionali di un corpo diffuso.
Immagina una stella massiccia che si muove attraverso un ammasso di stelle nane rosse. Anche se è improbabile che nessuna delle stelle entri in collisione, le interazioni gravitazionali tra di loro influenzeranno i movimenti stellari. La stella massiccia rallenterà mentre lascia l’ammasso grazie all’attrazione gravitazionale delle stelle nane rosse.
D’altro canto, le stelle nane rosse accelereranno leggermente mentre vengono trascinate leggermente verso la stella massiccia. Se segui la variazione di velocità delle stelle nell’ammasso, puoi determinare la velocità con cui si muoveva l’ammasso prima della collisione.
Lo stesso effetto può verificarsi tra materia e materia oscura . La presenza di materia oscura influenza il movimento delle stelle nella galassia e, grazie all’attrito dinamico, questo distorce la forma della galassia.
Mappando il modo in cui la galassia è distorta, il team può calcolare il movimento della materia oscura vicino alla galassia. Quindi il team si è concentrato sulla ricerca di galassie distorte che non fanno parte di un denso ammasso galattico . Dato che le galassie sono abbastanza isolate, la distorsione deve avvenire a causa della materia oscura.
Gli autori hanno poi confrontato la forma di queste galassie distorte con le simulazioni di N corpi per mappare il movimento della materia oscura. Una delle preoccupazioni che avevano era che l’incertezza nei dati sarebbe stata troppo grande per imporre vincoli significativi alla materia oscura.
Il team ha dimostrato che, per i campioni disponibili, la dispersione dei dati è solo del 10% circa. Ciò significa che è sufficientemente preciso da poter essere applicato alle galassie vicine. Ad esempio, le osservazioni dettagliate di Gaia della Grande Nube di Magellano dovrebbero consentire agli astronomi di comprendere la velocità della materia oscura lì.
Questo approccio offre agli astronomi uno strumento in più per lo studio della materia oscura. Man mano che le osservazioni future ci permetteranno di definire con precisione le proprietà della materia oscura, potremmo essere in grado di determinare cosa sia realmente la materia oscura.
