Proprietà delle galassie oscure, fossili dell’Universo primordiale

Le galassie oscure, cosiddette per il loro esiguo contenuto di stelle, sono oggetti antichi, fossili dell’Universo primordiale. Secondo il modello standard ΛCDM della cosmologia (ove Λ è la costante che indica l’espansione accelerata dell’Universo e CDM sta per “cold dark matter”, i.e., materia oscura fredda), le galassie rappresentano l’esito dell’assembramento gerarchico di aloni di materia oscura più o meno grandi. Le proprietà degli aloni di materia oscura determinano il tempo di formazione delle galassie, il loro contenuto di gas e la loro resistenza ai processi non-gravitazionali che possono alterare in modo significativo la distribuzione di questo. Tali processi vanno sotto il nome complessivo di “feedback barionico” in quanto inerenti alla materia barionica, quella ordinaria, che non interagisce solo gravitazionalmente come quella oscura. Si tratta, per esempio, delle esplosioni di supernova, dei venti stellari derivanti dall’evoluzione delle stelle massicce e della radiazione ionizzante emessa da quelle di popolazione III, che spazzano il mezzo circostante rimuovendo il gas necessario a dare luogo a nuova formazione stellare. Se le riserve di gas primordiale degli aloni di materia oscura vengono severamente danneggiate prima della reionizzazione, epoca cosmologica in cui il gas idrogeno neutro diventa ionizzato proprio a seguito della nascita delle prime stelle, la formazione stellare viene interrotta o addirittura mai iniziata: essi sono perciò destinati a rimanere oscuri. Le galassie oscure nascono pertanto al centro degli aloni oscuri, ovvero gli aloni di materia oscura che hanno fallito nel formare una quantità di stelle  apprezzabile all’alba della reionizzazione.

Poiché le galassie oscure sono per definizione difficili da osservare, fondamentale per il loro studio è la modellistica teorica. Recentemente, il progetto Illustris TNG ha fornito un notevole contributo in tal senso: grazie alle sue innovative simulazioni cosmologiche di tipo idrodinamico, esso ha infatti permesso di investigare le proprietà fisiche delle galassie oscure e di confrontarle con quelle delle galassie luminose. Nello specifico, durante le simulazioni le galassie oscure sono state identificate come aventi massa stellare minore di un decimillesimo della loro massa totale, mentre quelle luminose come aventi massa stellare maggiore di o uguale a tale valore. Una seconda suddivisione è stata poi operata tra galassie oscure povere e prive di stelle, ottenendo dunque un campione finale così composto: 14206 galassie luminose, 19245 galassie oscure povere di stelle e 14318 galassie oscure prive di stelle. Le galassie selezionate sono evolute dal momento della formazione all’interno degli aloni di materia oscura fino al giorno d’oggi allo scopo di valutare quali fattori impattino sulla loro storia; in particolare, i ricercatori ne hanno individuati tre: l’ambiente natio, gli eventi di fusione con altre galassie e gli effetti della reionizzazione.

Galassie nate in ambienti poco densi e poco ricchi di gas disponibile per formare stelle hanno una maggiore probabilità di divenire oscure al termine della reionizzazione, che contribuisce, peraltro, a differenziarle in modo più marcato da quelle luminose attraverso un’ulteriore diminuzione della loro riserva di gas. Ergo, minore è il contenuto iniziale di gas di una galassia e minore sarà il numero di stelle che essa potrà produrre. Stando ai risultati delle simulazioni, inoltre, la separazione fra i due tipi di galassie aumenterebbe nel corso del tempo, dato che le galassie oscure sarebbero meno soggette a fusioni con sistemi stellari vicini rispetto alla loro controparte luminosa. Ciò si tradurrebbe nella mancata acquisizione di nuovo gas per riaccendere la formazione stellare.

La conclusione sembra allora essere la seguente: solo le galassie che superano l’epoca della reionizzazione senza sostanziali mutamenti della loro originaria riserva di gas possono continuare l’attività di formazione stellare ed evolvere come luminose, mentre quelle oscure, impossibilitate a recuperare il gas perso, si fossilizzano in questo stato.

Per tale ragione, l’immagine odierna delle galassie oscure corrisponderebbe a quella di fine reionizzazione. Si attendono quindi i dati osservativi provenienti da surveys come ALFALFA, LITTLE THINGS e Euclid per definire vincoli più stringenti sulle predizioni di questa teoria.

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