6 minuti di letturaForse la materia oscura non esiste?

Diverse evidenze sperimentali hanno mostrato che nell’universo esiste un problema: c’è della materia che però purtroppo non emette luce e quindi non riusciamo a vederla. Questa materia, per così dire, trasparente, alla fine è stata chiamata materia oscura, con il solito grande slancio di fantasia degli astronomi che più volte abbiamo sottolineato.

La storia parte alla fine degli anni Trenta, quando l’astronomo Fritz Zwicky si rese conto che qualcosa non tornava con la misura delle velocità delle galassie negli ammassi di galassie; poi, negli anni Settanta, Vera Rubin ha notato un effetto simile con protagonisti diversi: le stelle che ruotano nelle galassie a spirale.

Rubin studiò quella che si chiama curva di rotazione delle galassie a spirale, ovvero studiò la velocità delle stelle al variare della distanza dal centro della galassia. Quando Rubin studiò la curva di rotazione delle galassie si aspettava un andamento tipo quello che si osserva con la velocità dei pianeti intorno al Sole: Mercurio, il pianeta più vicino al Sole, ha una velocità alta mentre Nettuno, il pianeta più lontano, ha una velocità più bassa. Questo accade perché Mercurio è in una zona dove la gravità del Sole è più intensa rispetto a dove si trova Nettuno. Sarebbe ragionevole dunque aspettarsi qualcosa di simile anche per le stelle nelle galassie: quelle più lontano dal centro galattico dovrebbero girare più lentamente.

E invece no: vediamo una curva di rotazione piatta, in cui cioè la velocità delle stelle resta più o meno sempre la stessa man mano che ci si allontana dal centro. Tipo come l’immagine qui sotto.

La curva di rotazione che osserviamo e la curva di rotazione (newtoniana) che ci aspettiamo di vedere.

Una possibile spiegazione a questa osservazione (che peraltro si vede in tutte le galassie a spirale) è che c’è più massa di quella che vediamo. Infatti, se la velocità dipende dalla distanza dalla massa principale (come nel caso del Sistema solare) allora magari lontano dalla zona più luminosa della galassia c’è della massa che non emette luce, materia oscura appunto.

Questa della materia oscura è una teoria che ha avuto un buon successo: i dati della radiazione cosmica di fondo e della misura delle lenti gravitazionali, giusto per citare due esempi, forniscono dati in accordo con l’ipotesi della materia oscura. È questo che rende la materia oscura un’ipotesi che va per la maggiore, cioè il fatto che diverse osservazioni convergono nel rendere plausibile la stessa ipotesi.

Questo non vuol dire però che non esistano teorie alternative. La più celebre è la teoria MOND (MOdified Newtonian Dynamics), una teoria che modifica la teoria della gravità di Newton in modo da sistemare il problema delle curve di rotazione delle galassie a spirale. Il problema principale della teoria MOND è l’incubo di ogni teoria: non funziona sempre. O meglio, non funziona così bene come funziona la materia oscura.

Il Bullet Cluster, per esempio, è un altro importante banco di prova per la materia oscura e le teorie alternative.

E qui arriviamo alla novità che vi racconto oggi in questo post. Perché non provare a fare una camionata di conti per vedere se magari tutto si può risolvere senza coinvolgere la materia oscura ma invece soltanto riempiendo pagine e pagine di conti (scherzo, si usano i computer!) con la teoria della relatività generale?

La teoria della relatività generale è una teoria della gravità: come la teoria di Newton insomma, solo che funziona anche laddove Newton non riesce, per esempio quando si studia l’universo su grandissima scala o nelle vicinanze di un buco nero. La teoria di Newton ha un vantaggio non da poco rispetto alla relatività: è una teoria lineare. Cioè, secondo Newton, la forza di gravità generata da due corpi distinti è la somma delle rispettive forze di gravità di ciascun corpo. Con la relatività di Einstein le cose non stanno così e infatti si dice che la relatività è una teoria non lineare.

Se siamo in un regime gravitazionale non troppo intenso allora possiamo approssimare la relatività con la teoria di Newton. Ora sapete perché ci conviene farlo: non solo perché funziona molto bene come teoria, ma soprattutto perché possiamo sfruttare la comodità di una teoria lineare.

Ma la non-linearità è subdola: siccome la gravità è, in fondo come dice Einstein, non lineare, allora magari ci sono degli effetti importanti che potremmo potenzialmente trascurare se usiamo invece la teoria di Newton. Questo è il ragionamento fatto dall’astrofisico Alexandre Deur della University of Virginia in una coppia di recenti articoli scientifici (il primo qua, il secondo qui).

Deur ha calcolato le correzioni relativistiche dovute alla non-linearità della teoria e ha calcolato quale dovrebbe essere la curva di rotazione che dovremmo aspettarci di vedere nel caso di uso della teoria di Einstein. Il risultato è quello qui sotto.

Concentrati sulla curva nera (curva di rotazione con la teoria di Newton) e sulla curva rossa (curva di rotazione con la relatività generale). La teoria della relatività rende più piatta la curva di rotazione, quasi come succede nelle osservazioni. Tratto da: https://arxiv.org/pdf/2004.05905.pdf

La curva rossa del grafico qui sopra contiene la relatività generale ed è abbastanza più piatta di quella nera ottenuta con la teoria di Newton. Quindi la teoria della relatività va più incontro alle osservazioni, così sembrerebbe. L’aspetto potente della proposta di Deur è ovviamente il fatto che non dobbiamo inventarci un parametro teorico dal nulla (cioè la materia oscura) bensì con le correzioni relativistiche la piattezza della curva di rotazione emerge in modo naturale.

Ovviamente questo è solo un primo banco di prova. Come vi dicevo prima, ci sono moltissime evidenze che la materia oscura sia presente nell’universo. Una su tutte, quella che sbaraglia quasi ogni teoria alternativa, è la radiazione cosmica di fondo (la stessa che però mostra discrepanze in altre situazioni…).

Sicuramente, il risultato di Deur mostra che faremmo meglio a considerare gli effetti relativistici quando facciamo i conti con le curve di rotazione. Queste correzioni sembrano molto importanti e dovremo tenerne conto nelle future stime sulla materia oscura dalle curve di rotazione delle galassie.

Inoltre, Deur non è nuovo al calcolo delle correzioni relativistiche: già nel 2019 aveva usato calcoli simili anche per provare a spiegare l’emergenza dell’energia oscura nell’universo. Tra l’altro, già su questo blog vi ho racconto di altri studi che hanno messo in discussione l’altra grande incognita delle teorie astrofisiche, l’energia oscura. Infine, come riporta Deur nel suo articolo, la difficoltà a scovare particelle alternative che possano essere interpretate come materia oscura (per esempio WIMP o assioni) potrebbe essere spiegata proprio con il fatto che non c’è nulla da scoprire bensì qualcosa da correggere.

Tra l’altro, a mio avviso, un altro risultato importante del lavoro di Deur è aver sviluppato un metodo per il calcolo di queste correzioni, metodo che può essere molto utile per diversi calcoli astrofisici; anzi, Deur prende a sua volta spunto da metodologie applicate in altre situazioni astrofisiche, a differenza di altri formalismi usati sempre da Deur in passato. Questo non è un dettaglio: riuscire a trovare un modo veloce e affidabile per calcolare gli effetti relativistici delle curve di rotazione sarà molto utile in futuro per avvicinarsi a svelare, si spera una volta per tutte, il grande mistero della materia oscura.

Infine, diamo uno sguardo alla galassia in cui viviamo: la Via Lattea. Anche la nostra galassia presenta una curva di rotazione sostanzialmente piatta. Anche in questo caso, notizia fresca, in un articolo pubblicato da un gruppo di astrofisici italiani (Crosta, Giammaria, Lattanzi e Poggio) si è mostrato che se si aggiungono le correzioni relativistiche si può evitare di usare la materia oscura come teoria per spiegare la curva.

Per ottenere questo risultato il gruppo italiano ha usato i dati del satellite ESA Gaia, un telescopio spaziale che misura con estrema precisione la posizione e la velocità delle stelle della Via Lattea. Questo risultato non può essere generalizzato a tutte le galassie, certo, ma si tratta comunque di un altro piccolo passo verso una comprensione più profonda, non dico della diatriba sulla materia oscura, ma almeno delle teorie fisiche che usiamo per descrivere la gravità nell’universo.

Se davvero venisse fuori la materia oscura è solo un modo che stiamo usando per evitare le correzioni relativistiche, beh, sarebbe molto interessante; non dimentichiamo però che la materia oscura trova evidenze anche altrove e che inoltre è un ingrediente fondamentale per la teoria della formazione delle galassie.

Insomma, sono ancora tanti i pezzi del puzzle da incastrare, ma indubbiamente, piano piano, le cose potrebbero diventare sempre meno oscure.

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