Affascinanti come fiumi che brillano alla luce del sole, i flussi stellari tracciano archi scintillanti attraverso e attorno alla nostra galassia, la Via Lattea. I flussi stellari sono composti da stelle originariamente legate in ammassi globulari o galassie nane, ma che sono state alterate dalle interazioni gravitazionali con la nostra galassia e trascinate in lunghe scie. Queste sottili scie stellari mostrano spesso segni di disturbo e gli scienziati sospettano che in molti casi la colpa sia della materia oscura. L'Osservatorio Vera C. Rubin, finanziato congiuntamente dalla National Science Foundation (NSF) e dal Dipartimento dell'Energia (DOE) degli Stati Uniti, fornirà presto una grande quantità di dati per illuminare i flussi stellari, la materia oscura e le loro complesse interazioni.
La materia oscura costituisce il 27% dell'Universo, ma non può essere osservata direttamente e gli scienziati attualmente non sanno esattamente di cosa si tratti. Per saperne di più, usano una varietà di metodi indiretti per indagarne la natura. Alcuni metodi, come il lensing gravitazionale debole, mappano la distribuzione della materia oscura su larga scala nell'Universo. L'osservazione dei flussi stellari consente agli scienziati di sondare un aspetto diverso della materia oscura perché mostrano le "impronte" degli effetti gravitazionali della materia oscura su piccola scala.
L'Osservatorio Vera C. Rubin, situato in Cile, utilizzerà un telescopio di 8,4 metri dotato della più grande fotocamera digitale al mondo per condurre un'indagine decennale dell'intero cielo dell'emisfero meridionale a partire dalla fine del 2025. I dati risultanti, con immagini catturate attraverso sei diversi filtri di colore, renderanno più facile che mai per gli scienziati isolare i flussi stellari all'interno e oltre la Via Lattea ed esaminarli alla ricerca di segni di alterazione della materia oscura. "Sono davvero entusiasta di utilizzare i flussi stellari per conoscere la materia oscura", ha affermato Nora Shipp, ricercatrice post-dottorato presso la Carnegie Mellon University e co-convocatrice del Dark Matter Working Group nel Rubin Observatory/LSST Dark Energy Science Collaboration. "Con l'Osservatorio Rubin saremo in grado di utilizzare i flussi stellari per capire come è distribuita la materia oscura nella nostra galassia, dalle scale più grandi fino a scale molto piccole".
Grandi aspettative sull'Osservatorio Rubin
L'Osservatorio Rubin inizierà le operazioni scientifiche alla fine del 2025. L'Osservatorio è un programma del NOIRLab della NSF, che, insieme allo SLAC National Accelerator Laboratory, gestirà congiuntamente Rubin.
Le prove suggeriscono che un alone sferico di materia oscura circonda la Via Lattea, costituito da piccoli ammassi di materia oscura. Questi ammassi interagiscono con altre strutture, alterando la loro dinamica gravitazionale e cambiando l'aspetto osservato. Nel caso dei flussi stellari, i risultati delle interazioni della materia oscura appaiono come pieghe nelle scie stellari.
Le immagini incredibilmente dettagliate dell'Osservatorio Rubin consentiranno agli scienziati di identificare ed esaminare irregolarità molto sottili nei flussi stellari, e quindi dedurre le proprietà degli ammassi di materia oscura di piccola massa che li hanno causati, anche restringendo il campo dei tipi di particelle di cui questi ammassi sono composti. "Osservando i flussi stellari, saremo in grado di effettuare misurazioni indirette della materia oscura della Via Lattea fino a raggiungere masse più basse che mai, dandoci vincoli davvero buoni sulle proprietà delle particelle della materia oscura", ha detto Shipp.
I flussi stellari nelle regioni esterne della Via Lattea sono candidati particolarmente buoni per osservare gli effetti della materia oscura perché è meno probabile che siano stati influenzati dalle interazioni con altre parti della Via Lattea, il che può confondere il quadro. L'Osservatorio Rubin sarà in grado di rilevare flussi stellari a una distanza circa cinque volte superiore a quella che possiamo vedere ora, consentendo agli scienziati di scoprire e osservare una popolazione completamente nuova di flussi stellari nelle regioni esterne della Via Lattea.
I flussi stellari come fili di perle
I flussi stellari sono difficili da distinguere da molte altre stelle della Via Lattea. Per isolare i flussi stellari gli scienziati cercano stelle con proprietà specifiche che indichino che probabilmente erano insieme come ammassi globulari o galassie nane. Quindi analizzano il movimento o altre proprietà di queste stelle per identificare quelle collegate come un flusso.
"I flussi stellari sono come fili di perle, le cui stelle tracciano il percorso dell'orbita del sistema e hanno una storia condivisa", ha detto Jaclyn Jensen, dottoranda presso l'Università di Victoria che intende utilizzare i dati Rubin/LSST per la sua ricerca sui progenitori dei flussi stellari e il loro ruolo nella formazione della Via Lattea. "Utilizzando le proprietà di queste stelle, possiamo determinare informazioni sulle loro origini e sul tipo di interazioni che il flusso potrebbe aver sperimentato. Se troviamo una collana di perle con alcune perle sparse nelle vicinanze, possiamo dedurre che potrebbe essere arrivato qualcosa che ha rotto il filo".
La fotocamera LSST da 3200 megapixel dell'Osservatorio Rubin è dotata di sei filtri colorati, incluso, in particolare per gli scienziati dei flussi stellari come Shipp e Jensen, un filtro ultravioletto. Il filtro ultravioletto di Rubin fornirà informazioni critiche sull'estremità blu-ultravioletta dello spettro luminoso che consentirà agli scienziati di distinguere le sottili differenze e districare le stelle in un flusso dalle stelle simili nella Via Lattea. Nel complesso, Rubin fornirà agli scienziati migliaia di immagini profonde scattate attraverso tutti e sei i filtri, offrendo loro una visione dei flussi stellari più chiara che mai.
La valanga di dati che Rubin fornirà ispirerà anche nuovi strumenti e metodi per isolare i flussi stellari. Come osserva Shipp, "in questo momento individuare potenziali flussi a occhio è un processo ad alta intensità di lavoro: l'ampio volume di dati di Rubin offre un'entusiasmante opportunità per pensare a modi nuovi e più automatizzati per identificare i flussi".