Uno dei grandi problemi dell’astrofisica è capire quanto sia e come sia distribuita la materia oscura. Nel caso della nostra galassia, la Via Lattea, per studiare questo problema si parte delle osservazioni della distribuzione delle stelle e del gas e dal loro campo di velocità.
Grazie ai dati del satellite Gaia è oggi possibile analizzare grandi campioni di stelle in cui è nota sia la posizione tridimensionale di ognuna, che le tre componenti della velocità. Da queste osservazioni si può dunque ricostruire il campo di velocità in tre dimensioni, cioè si può caratterizzare la cinematica della Via Lattea.
Per connettere la cinematica alla dinamica si deve ipotizzare che la galassia abbia raggiunto una situazione di equilibrio stazionario, in cui le stelle si muovono su orbite circolari chiuse e dunque che l’intero sistema della galassia sia stabile e non cambi con il tempo.
Oggi sappiamo che questa ipotesi è corretta solo in prima approssimazione in quanto le stelle mostrano dei moti non-circolari coerenti su grandi distanze.
Trascurando questi effetti fuori dall’equilibrio, si può dunque connettere la velocità circolare delle stelle a diversa distanza dal centro della galassia, cioè la curva di rotazione della galassia, alla distribuzione di massa.
In questo modo si è compreso che le stelle orbitano con delle velocità che sono troppo alte rispetto alla massa luminosa che possiamo misurare dalle osservazioni.
Di conseguenza ci deve essere una parte di massa oscura: il problema riguarda quanta ce ne sia e come sia distribuita.
L’ipotesi classica adottata dagli anni Ottanta è che la materia oscura sia distribuita in un alone sferico intorno al disco galattico. Questo implica che non solo la materia oscura abbia proprietà spaziali diverse da quella luminose (cioè una distribuzione sferica invece che un disco piatto) ma che anche la distribuzione di velocità sia completamente diversa.
Infatti, perché le particelle di materia oscura siano in equilibrio in un volume sferico, l’alone, non devono possedere una velocità di rotazione coerente come le stelle nel disco: al contrario la loro di distribuzione di velocità deve essere isotropa, cioè si devono muovere in tutte le direzioni ma senza un moto coerente medio.
Facendo questa ipotesi si trova che la materia oscura necessaria è circa 10-20 volta che si osserva in forma di stelle e gas.
Un modello di massa alternativo che abbiamo introdotto qualche anno fa ipotizza che la materia oscura sia distribuita nel disco seguendo la distribuzione dell’idrogeno neutro. Quest’ultimo si può osservare con i radiotelescopi attraverso la sua emissione della riga a 21 cm. Dunque l’ipotesi è che dove si osserva 1 atomo di idrogeno che emette a 21cm, ce ne sono circa un’altra decina che non emettono.
Il motivo per cui non emettono radiazione osservabile può essere attribuibile a vari cause: ad esempio si tratta di idrogeno molto freddo oppure di qualche altro tipo di materia che non emette radiazione (neppure la materia oscura ipotizzata nel modello ad alone emette radiazione!).
A noi ci piace pensare che la materia oscura sia nella forma di materia ordinaria molto fredda (con una temperatura minore a 10 gradi Kelvin).
In ogni caso e a prescindere dal tipo di materia oscura, la quantità necessaria per spiegare le curve di rotazione è molto più piccola se questa è situata nel disco galattico anziché nell’alone sferico. solo un fattore due invece di un fattore 10-20.
In genere la curva di rotazione viene determinata sul piano galattico. In questo articolo la determiniamo fuori dal piano galattico, a differenti distanze da quest’ultimo. In questo modo possiamo costruire la curva di rotazione generalizzata.
Poi mostriamo che la curva di rotazione generalizzata è spiegata meglio da un modello in cui tutta la materia risieda piuttosto che un modello in cui la materia luminosa è nel disco e quella oscura in un alone sferico.
| Comments: | 16 pages, 13 figure, The Astrophysical Journal in the press (2024) |
| Subjects: | Astrophysics of Galaxies (astro-ph.GA) |
| Cite as: | arXiv:2410.14307 [astro-ph.GA] |
| (or arXiv:2410.14307v1 [astro-ph.GA] for this version) | |
| https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.14307Focus to learn more |
The circular velocity curve traced by stars provides a direct means of investigating the potential and mass distribution of the Milky Way. Recent measurements of the Galaxy’s rotation curve have revealed a significant decrease in velocity for galactic radii larger than approximately 15 kpc. While these determinations have primarily focused on the Galactic plane, the Gaia DR3 data also offer information about off-plane velocity components. By assuming the Milky Way is in a state of Jeans equilibrium, we derived the generalized rotation curve for radial distances spanning from 8.5 kpc to 25 kpc and vertical heights ranging from -2 kpc to 2 kpc. These measurements were employed to constrain the matter distribution using two distinct mass models. The first is the canonical NFW halo model, while the second, the dark matter disk (DMD) model, posits that dark matter is confined to the Galactic plane and follows
the distribution of neutral hydrogen. The best-fitting NFW model yields a virial mass of $M_{text{vir}} = (6.5 pm 0.5) times 10^{11} M_odot$, whereas the DMD model indicates a total mass of $M_{text{DMD}} = (1.7 pm 0.2) times 10^{11} M_odot$. Our findings indicate that the DMD model generally shows a better fit to both the on-plane and off-plane behaviors at large radial distances of the generalized rotation curves when compared to the NFW model. We
emphasize that studying the generalized rotation curves at different vertical heights has the potential to provide better constraints on the geometrical properties of the dark matter distribution.
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Francesco sylos labini 
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