A New Probe of Dark Matter Subhalos: Stellar Aberration with TESS

La materia oscura è l'impalcatura invisibile che tiene insieme l'universo. Sappiamo che esiste perché le galassie ruotano in modi che le sole stelle visibili non possono spiegare, e perché il tessuto stesso dello spazio si flette attorno ai massicci ammassi di galassie. Eppure, nonostante la sua schiacciante presenza, non abbiamo mai visto direttamente una singola particella di materia oscura. La maggior parte della nostra comprensione deriva dall'osservazione delle strutture più grandi del cosmo, ma la vera natura di questa sostanza potrebbe essere scritta nelle sue forme più piccole ed elusive. Le teorie suggeriscono che la materia oscura non sia una nebbia liscia e uniforme, ma piuttosto una sostanza granulosa composta da innumerevoli piccole e dense isole chiamate subaloni. Questi subaloni potrebbero variare dalla massa di un piccolo pianeta a quella di una gigante stella, eppure rimangono nascosti perché non emettono luce. Trovarli è fondamentale, poiché la loro abbondanza e dimensione rivelerebbero le proprietà fondamentali della materia oscura stessa, distinguendo tra le teorie concorrenti su ciò di cui è fatta.

Per decenni, gli astronomi hanno cercato di trovare queste isole invisibili osservando come la loro gravità attiri la luce visibile o come disturbino il ticchettio preciso di lontani orologi cosmici. Ora, un nuovo team di ricercatori ha proposto un modo diverso per cercarle, utilizzando un satellite originariamente progettato per caccia ai pianeti. Analizzando il moto di un veicolo spaziale in orbita attorno alla Terra, hanno identificato un segnale sottile, precedentemente trascurato, che potrebbe rivelare la presenza di subaloni di materia oscura proprio nel nostro vicinato cosmico.

Il metodo si basa su un fenomeno noto come aberrazione stellare. Questa è un effetto ben compreso per cui la posizione apparente di una stella si sposta leggermente perché l'osservatore è in movimento. Immaginate di tenere un telescopio mentre correte sotto la pioggia; le gocce di pioggia sembrano provenire da un angolo leggermente diverso rispetto a quelle che vedreste se foste fermi. Nello spazio, mentre un veicolo spaziale si muove, le stelle che vede sembrano spostare le loro posizioni nel cielo. Questo spostamento è minuscolo, ma è prevedibile in base alla velocità e alla direzione note del veicolo spaziale. Tuttavia, se il veicolo spaziale incontra un tiro gravitazionale nascosto da una massa vicina, come un subalone di materia oscura, il suo moto cambia. Questo cambiamento di moto causa uno spostamento delle stelle in un modello specifico e coordinato, diverso dal normale rumore di fondo.

I ricercatori si sono concentrati la loro ricerca sui dati del Transiting Exoplanet Survey Satellite, o TESS. Lanciato nel 2018, TESS trascorre il suo tempo a scansionare il cielo per trovare pianeti che passano davanti a stelle distanti. Mentre il suo compito primario è misurare la luminosità delle stelle, il satellite registra anche le loro posizioni esatte con incredibile precisione. Poiché TESS osserva le stesse porzioni di cielo per lunghi periodi e copre una vasta area dell'universo, agisce come una massiccia fotocamera ad alta velocità in grado di rilevare minimi cambiamenti nel modo in cui le stelle sembrano muoversi. Il team si è reso conto che se un subalone di materia oscura stesse tirando il satellite, creerebbe un distinto modello dipolare di spostamenti apparenti attraverso l'intero campo visivo. A differenza del jitter casuale di una singola stella o della distorsione localizzata causata da un oggetto massiccio che blocca la luce, questo segnale influenzerebbe migliaia di stelle contemporaneamente in un modo che correla con la direzione della massa nascosta.

Per testare questa idea, il team ha utilizzato un metodo statistico per prevedere quanto TESS potesse essere sensibile a questi tiraggi gravitazionali. Hanno modellato le osservazioni del satellite su milioni di stelle luminose, tenendo conto dei movimenti noti del veicolo spaziale e della Terra. Hanno scoperto che TESS è capace di rilevare accelerazioni così piccole come 6,3 × 10⁻⁹ metri al secondo quadrato. Per dare un termine di paragone, questa è una forza incredibilmente piccola, molto più piccola di quella che sentiamo nella nostra vita quotidiana, eppure è entro la portata degli strumenti di precisione del satellite. Questo livello di sensibilità apre una nuova finestra sull'universo, permettendo a TESS di sondare i subaloni di materia oscura con masse che vanno da circa un milionesimo della massa del nostro Sole a dieci milioni di volte la massa del Sole. Questi oggetti potrebbero trovarsi ovunque, dalla distanza del nostro sistema solare fino a circa dieci parsec di distanza.

Lo studio non afferma di aver già trovato un subalone di materia oscura. Invece, stabilisce un nuovo e potente modo per cercarli. I ricercatori hanno dimostrato che i dati che TESS sta già raccogliendo contengono le informazioni necessarie per individuare questi oggetti nascosti. Hanno anche delineato le sfide che restano da affrontare. Il segnale che stanno cercando è sepolto sotto molti altri effetti, come il moto naturale delle stelle, l'oscillazione del veicolo spaziale e le stranezze strumentali. Il lavoro futuro dovrà separare con cura questi fattori noti dal potenziale segnale della materia oscura. Tuttavia, il potenziale guadagno è significativo. Se TESS riuscirà a rilevare questi spostamenti, fornirà una misurazione diretta della densità locale dei subaloni di materia oscura, offrendo un test delle teorie che altri metodi non possono fornire.

Questo approccio completa le ricerche esistenti che si basano sulla lente gravitazionale o sul tempo dei pulsar. Mentre quei metodi cercano distorsioni nella luce o ritardi nei segnali, l'aberrazione stellare cerca un cambiamento nel moto dell'osservatore stesso. Poiché TESS osserva così tante stelle simultaneamente, può distinguere tra un tiro gravitazionale locale e altre fonti di rumore. Il team ha notato che, sebbene TESS sia attualmente limitato dalla durata delle sue osservazioni, missioni future con capacità simili potrebbero spingere questi limiti ancora oltre, raggiungendo potenzialmente sensibilità di ordini di grandezza superiori.

Il lavoro rappresenta un cambiamento nel modo in cui potremmo rilevare l'universo invisibile. Trattando un satellite per la caccia ai pianeti come un accelerometro di precisione, i ricercatori hanno trasformato uno strumento astronomico standard in una sonda per le strutture più piccole della materia oscura. Le loro scoperte suggeriscono che la risposta alla domanda di cosa sia fatta la materia oscura potrebbe nascondersi nella danza sottile e coordinata delle posizioni stellari attraverso il cielo, in attesa dell'analisi giusta per rivelarla. Come conclude il team, questo metodo apre la strada a ricerche dedicate che potrebbero finalmente illuminare la struttura sottostante, granulosa e oscura, della nostra galassia.