C’è (di nuovo) qualcosa che non torna con la materia oscura

Sono circa cento anni che abbiamo a che fare con la materia oscura e credo che ci sia solo una cosa che possiamo dire con certezza: non ci abbiamo capito proprio niente.

Se siete lettori abituali di questo blog conoscete già bene la storia. Tutto iniziò nel 1937 con l’astronomo Fritz Zwicky e la velocità di alcune galassie nell’ammasso di galassie della Chioma.

Poi si proseguì nel 1970 con l’astrofisica Vera Rubin che trova velocità che non tornano per quanto riguarda le stelle nelle galassie a spirale.

Infine i dati della radiazione cosmica di fondo forniscono tuttora una straordinaria evidenza per un modello teorico basato sul fatto che l’85% della materia presente nell’universo è proprio materia oscura.

Inoltre, tante cose al momento non tornano: per esempio la stima della costante di Hubble e della curvatura dell’universo. Ma anche problemi strettamente legati alla sola materia oscura: ci sono dati che sembrano addirittura suggerire che potremmo farne a meno, bah.

E invece, colpo di scena, la ricerca di cui vi parlo oggi dice che forse la materia oscura nell’universo è più di quella stimata. Oppure, forse più semplicemente senza scomodare e sconquassare le altre evidenze scientifiche a disposizione, non abbiamo capito come funziona la materia oscura.

Che cosa sappiamo sulla materia oscura?

Della materia oscura sappiamo solo una cosa: deve essere un tipo di materia, cioè fatta di particelle, che interagisce solo tramite la gravità.

La materia oscura non emette o assorbe onde elettromagnetiche (cioè luce) e non interagisce con tutte le particelle conosciute se non tramite la propria massa, cioè gravitazionalmente secondo la teoria della relatività generale. Sappiamo pochino, eh già.

Ma il fatto che la materia oscura segua le regole della gravità è comunque utile.

Per esempio, Zwicky e Rubin videro rispettivamente galassie e stelle che andavano più veloci del previsto; questo perché se negli ammassi di galassie e nelle singole galassie c’è pure la materia oscura, allora la massa del singolo ammasso o della singola galassia deve essere maggiore di quella che possiamo stimare solo contando le galassie dentro l’ammasso o le stelle dentro la galassia.

Quindi, una massa maggiore vuol dire una gravità maggiore, cioè robe che cadono più velocemente. In questo modo possiamo stimare indirettamente, a partire dalla velocità di stelle e galassie, quanta materia oscura c’è nell’universo.

Le lenti gravitazionali per osservare la materia oscura

Non solo: la teoria della relatività ci dice che qualsiasi massa curva lo spaziotempo. Questo fatto ha numerose implicazioni, ma la conseguenza di cui vi voglio parlare oggi è la formazione delle lenti gravitazionali. Il primo che ebbe l’idea di studiare la materia oscura con le lenti gravitazionali fu proprio Fritz Zwicky.

Ma vediamo per bene che succede e come si formano le lenti gravitazionali. Dunque, se voi avete una candela lontana e la guardate attraverso un calice di vino accade che vedrete l’immagine della candela distorta.

Il motivo è che la luce della candela passa dall’aria attraverso il vetro prima di arrivare ai vostri occhi. Il vetro ha una densità diversa rispetto all’aria e la luce quindi incontra molti più atomi ed è costretta a modificare la propria traiettoria e la propria velocità.

Inoltre, più pieghiamo il bicchiere, maggiore sarà la distorsione: questo perché maggiore è la quantità di vetro da attraversare, maggiore sarà l’effetto di lente.

Una cosa simile accade anche con la massa nell’universo. Se abbiamo una galassia lontana e la guardiamo attraverso un ammasso di galassie che sta in mezzo come il calice di vino dell’esempio precedente, si ha un effetto di lente. Ciò che accade è che l’ammasso che sta in mezzo distorce lo spazio tempo e la luce della galassia lontana non viaggia più in linea retta ma è costretta a curvare.

Così noi vediamo la galassia lontana in una posizione apparente rispetto a quella vera. Inoltre la sua immagine sarà distorta come quella della candela vista attraverso il bicchiere. Maggiore sarà la massa dell’ammasso, maggiore sarà la distorsione.

Dunque per stimare la quantità di materia oscura presente nell’ammasso che funge da lente cosmica, studiamo gli effetti di distorsione presenti sulle galassie lontane: questo è ciò di cui si parla quando leggete di lenti gravitazionali (o, in inglese, gravitational lensing).

Ci sono anche effetti più subdoli, effetti che devono essere tenuti in conto e di cui mi sono anche occupato personalmente quando facevo ricerca – ma non ne discuto qui, chi volesse approfondire può leggere qua  oppure dare uno sguardo qua.

I dati recenti del lensing non tornano con le simulazioni teoriche

Bene, dopo tutta questa premessa doverosa, veniamo al nòcciolo di questo post di oggi.

Un articolo con primo autore l’astrofisico Massimo Meneghetti dell’INAF di Bologna ha mostrato un singolare comportamento dovuto al lensing gravitazionale osservato con i dati raccolti dallo Hubble Space Telescope e dal Very Large Telescope in Cile.

Sono stati trovati tre ammassi di galassie, nella fattispecie quelli chiamati MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 e Abell S1063, che formano lensing gravitazionale e fin qui tutto bene. Però gli effetti di lensing gravitazionale prodotti da questi tre ammassi sono circa 10 volte maggiori di quelli previsti teoricamente attraverso le simulazioni numeriche con i supercomputer. Come mai?

I tre ammassi di galassie che non fanno tornare i conti (Crediti: HST, VLT)

La prima cosa che gli astrofisici coinvolti e le astrofisiche coinvolte nello studio hanno fatto è stato controllare che non ci fossero errori nelle simulazioni. Fatto questo check, ora bisogna capire che sta succedendo.

Ci sono diverse ipotesi. Può darsi che ci stiamo perdendo dei pezzi teorici su come sono fatte le galassie, può darsi che materia ordinaria e materia oscura interagiscano in un modo a noi al momento sconosciuto. Oppure può darsi che il fatto di essere totalmente ignoranti su che cosa sia la materia oscura è un fattore determinante per la nostra comprensione di ciò che succede.

E ora?

Tutte le ipotesi che ho appena elencato sono plausibili. Ma questo lo sapevamo già, anche prima di quest’ultimo studio. Il lavoro di Meneghetti et al. però potrebbe indicare una via ulteriore. Bisogna capire come teoricamente le simulazioni possano essere in grado di riprodurre i dati di HST e VLT.

Fino a quel momento è tutto plausibile, certo, ma teniamo sempre bene a mente che solo da poco tempo siamo in grado di studiare così in dettaglio le caratteristiche di questa sconosciuta materia oscura.

Ogni volta ne capiamo un pezzettino in più, prima o poi saremo in grado di mettere tutto insieme e magari avere un quadro globale più chiaro e meno oscuro.

Quando ci sono cose che non tornano è sempre una cosa positiva. Perché così possiamo porci nuove domande a cui non avevamo pensato prima sulla materia oscura, quindi possiamo magari esplorare nuove strade per capirci davvero qualcosa.

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Fonte

— Articolo An excess of small-scale gravitational lenses observedin galaxy clusters di Massimo Meneghetti, Guido Davoli, Pietro Bergamini, Piero Rosati, Priyamvada Natarajan, Carlo Giocoli, Gabriel B. Caminha, R. Benton Metcalf, Elena Rasia, Stefano Borgani, Francesco Calura, Claudio Grillo, Amata Mercurio, Eros Vanzella.

Forse 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.

Il Molise e la materia oscura

Come tutti probabilmente ben sapete, io sono molisano, cioè originario della regione probabilmente più bistrattata e presa in giro d’Italia, specialmente sui social. Ma, si sa, la cosa importante è riuscire a vedere il lato positivo in qualsiasi situazione. E allora ecco cosa ho pensato: voglio spiegarvi cosa hanno in comune il Molise e la materia oscura.
Se volete scoprirlo, non vi resta che guardare questo video, buona visione!