La materia oscura potrebbe non esistere: uno studio ne discute l'esistenza

La materia oscura è necessaria per spiegare un comportamento anomalo di gruppi di galassie. Scopriamo perchè la sua esistenza è messa in discussione.

speciale La materia oscura potrebbe non esistere: uno studio ne discute l'esistenza
Articolo a cura di

La ricerca della "materia oscura" è diventata di dominio pubblico nel corso dell'ultimo decennio. Gli scienziati sono alla ricerca di una sostanza sconosciuta e soprattutto invisibile, che costituirebbe la maggior parte di tutta la materia esistente, ovunque nell'universo.
L'introduzione di questa materia oscura è stata una necessità: essa infatti serve a spiegare il fatto che le galassie non sembrano obbedire alle leggi fondamentali della fisica. Tuttavia, le continue ricerche condotte negli anni sono risultate ad oggi poco più che infruttuose.

La materia oscura non necessaria

Prima di capire il ruolo della materia oscura nell'astrodinamica, è doveroso evidenziare che esistono diversi approcci per spiegare perché le galassie si comportano in modo così strano.
Uno studio condotto da Moritz Platscher , Juri Smirnov, Sven Meyer e Matthias Bartelmann e pubblicato sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, mostra che, modificando in maniera opportuna le leggi della gravità e adattandole alle enormi scale intergalattiche, la presenza di materia oscura potrebbe risultare superflua e non necessaria.

Un fatto da tenere a mente

Sebbene sia oggettivamente un argomento vasto e ricco di particolarità, tenete a mente questo fatto: esiste una relazione tra la quantità di materia che costituisce un gruppo di galassie e la velocità con cui questa materia (e dunque l'intero gruppo di galassie) si muove. La prima anomalia che indusse gli astrofisici a porsi delle domande proviene dall'esperienza dell'astronomo svizzero Fritz Zwicky, che scoprì negli anni '30 che le velocità dei gruppi di galassie risultavano troppo alte rispetto alla quantità di materia effettivamente presente e osservabile.
Il caso non fu isolato: un fenomeno simile è stato descritto da diversi gruppi di astronomi, come Vera Rubin e Kent Ford, durante i loro studi sul movimento delle stelle ai confini estremi della Galassia di Andromeda.

In quel caso, ci si aspettava che le velocità di spostamento delle stelle decrescesse quanto più queste erano distanti dal centro della galassia. La ragione è piuttosto semplice: subiscono meno attrazione gravitazionale. Secondo la II° legge di Newton, l'attrazione gravitazionale sulla materia può essere eguagliata ad un prodotto della massa in questione e dell'accelerazione che questa possiede (accelerazione che è strettamente correlata alla velocità).
Ebbene, come è ben noto, all'aumentare della distanza tra due corpi l'attrazione gravitazionale che un corpo esercita sull'altro diminuisce, ed in particolare è inversamente proporzionale al quadrato della distanza, ovvero se la distanza raddoppia, l'attrazione diventa un quarto di quella originaria. E così, man mano che ci si allontana dal centro della galassia, l'attrazione gravitazionale sulle stelle di confine è molto meno incisiva rispetto a quella in prossimità del centro.

Una incongruenza non da poco

Le misurazioni hanno mostrato che questa diminuzione di velocità non era presente, e che all'aumentare della distanza la velocità non rispettava più il ragionamento esposto prima. Questi dati hanno portato gli scienziati a credere che ci dovesse essere qualcosa, altra materia tale da creare un'attrazione gravitazionale più forte ed un movimento stellare più veloce, ma che non fosse visibile e che fosse, dunque, "oscura".

Queste osservazioni vengono condotte con estrema precisione e con accortezza, e sopratutto verificando che eventi del genere non siano casi isolati dovuti magari ad errori nelle misurazioni. Nei decenni passati, però, innumerevoli altre osservazioni condotte su scale di lunghezza molto ampie evidenziavano la stessa anomalia.

Attualmente, il mistero di che cosa sia realmente la materia oscura rimane l'ultima sfida della fisica fondamentale moderna. La domanda principale è se sia effettivamente una fonte di massa mancante, come un nuovo tipo di materia, oppure se la causa risieda nel fatto che la legge gravitazionale sia diversa per le enormi scale di lunghezza.

Sicuramente la prima opzione sembra molto allettante, anche se in effetti non è ancora stata identificata alcuna materia sconosciuta o "oscura". Per quanto riguarda la seconda opzione, c'è da dire che sebbene le leggi riguardanti la gravità sono ormai state testate a dovere e confermate più volte all'interno del sistema solare, non è escluso che la validità di tali leggi possa venir meno quando queste sono applicate ed estese a scale che sono almeno un miliardo di volte più grandi.
Per questo, sono nate alcune filosofie di pensiero, tra cui anche quella che nega l'esistenza della materia oscura, con l'intento di concentrarsi nella ricerca di una nuova e più generale legge gravitazionale.

Il tentativo riuscito male

Un tentativo noto di eliminare la necessità di materia oscura è il Modified Newtonian Dynamics (MOND), che suggerisce che la legge di gravità di Newton diventa irregolare quando l'attrazione gravitazionale è molto molto debole, come avviene nel caso delle regioni più esterne della galassia. Ma questa teoria, sebbene abbia avuto successo sotto molti aspetti, non ha superato gli stessi rigorosi test dell'attuale modello standard della cosmologia.
Sarebbe impossibile spiegare le motivazioni senza risultare noiosi, ma volendo spendere due parole sul perché la teoria MOND abbia fallito, si può dire che il problema principale risiede nel fatto che la teoria non può spiegare contemporaneamente il problema della massa mancante nelle galassie e nei gruppi di galassie allo stesso tempo.

In questo nuovo studio si apprende che gli autori hanno ipotizzato una nuova legge della gravità modificando quella attuale: "Abbiamo deciso di modificare le leggi di gravità in un modo diverso", spiegano. C'è da premettere che, alla base del loro ragionamento, viene presupposta l'esistenza di fenomeno noto come screening di Vainshtein, ovvero che oltre una certa regione di spazio (delimitata dal cosiddetto "raggio di Vainshtein") attorno ad una massa, le leggi esistenti subiscono una variazione rispetto all'andamento classico.

Questo suggerisce che ogni oggetto sufficientemente denso e compatto nello spazio genera intorno a sé una sfera invisibile che determina come le leggi della fisica si comportino con, ad esempio, la distanza crescente. Questa "sfera" è un concetto teorico che venne introdotto per aiutare a capire la differenza tra scale piccole e grandi, piuttosto che una vera e propria membrana sferica con proprietà fisiche.
I ricercatori proseguono: "Secondo la nostra teoria, all'interno di questa bolla valgono le leggi della normale gravità newtoniana che vediamo valere nel nostro sistema solare per oggetti che interagiscono con il corpo massiccio al centro del sistema". Al di fuori della bolla, la teoria suggerisce che la forza gravitazionale esercitata dall'oggetto centrale possa essere significativamente ampliata, anche se non vi è ulteriore presenza di massa.

Esiste una bolla attorno alla materia?

Le dimensioni della bolla sarebbero proporzionali alla massa dell'oggetto posto nel suo centro. Ad esempio la sfera corrispondente legata al nostro Sole avrebbe un raggio di 50.000 Unità Astronomiche (dove, ricordiamo, 1UA equivale alla distanza Terra - Sole). Tuttavia, il sistema solare si estende per soltanto 50 unità astronomiche. Questo equivale a dire che non esistono oggetti attorno a noi così distanti dal Sole da poter essere analizzati per verificare se su di essi insista o meno una forza gravitazionale diversa da quella esercitata sulla Terra.

Inoltre le dimensioni della "bolla newtoniana", questo il nome utilizzato in un commento degli autori tramite il sito Phys.org, crescono con la massa secondo una logica precisa. Questo conduce alla conclusione che la legge di gravità cambi a seconda delle diverse scale di lunghezza caratterizzanti le galassie ed i gruppi di galassie, cambiamento che quindi può spiegare l'apparente effetto fino ad ora associato alla presenza di "materia oscura" (non più necessaria dunque) in entrambi gli scenari contemporaneamente.

Juri Smirnov prosegue spiegando i risultati ottenuti tramite la loro teoria: "Con nostra grande sorpresa, la nostra teoria ci ha permesso di spiegare le velocità stellari nelle galassie molto meglio che con la relatività generale di Einstein, la quale permette alla materia oscura di esistere. Quindi potrebbe esserci una materia oscura meno misteriosa là fuori di quanto pensiamo - e forse neanche esiste".

Quando Einstein pensò

Qualsiasi corpo massiccio deforma lo spazio e il tempo attorno ad esso, secondo la relatività generale. Di conseguenza, i raggi di luce compiono una traiettoria apparentemente ricurva attorno all'oggetto anziché viaggiare in linea retta, secondo un effetto noto soprannominato "lente gravitazionale". Scriviamo questo perché i ricercatori sostengono che, tramite osservazioni dedicate a questa tipologia di fenomeno fisico, potrebbero un giorno approdare ad una conferma, oppure ad una definitiva smentita, della loro teoria: "Una prova estremamente interessante legata alla nostra scoperta riguarda l'osservazione di una precisa deflessione gravitazionale della luce da parte delle singole galassie, che è di per se una misura difficile da effettuare. La nostra teoria prevede una deflessione della luce più forte per le galassie molto compatte, quindi, sorprendentemente, [la nostra teoria, ndr] potrebbe essere un giorno confutata oppure confermata da tali misurazioni".

Nel corso dei decenni, sono state molte le teorie proposte per spiegare quelli che in un primo momento apparivano come fenomeni in scala celeste senza una apparente spiegazione, alcune abbandonate dopo evidenze fisiche (si pensi all'introduzione dell'etere) altre invece adottate ed incluse nel grande modello fisico che continua ad arricchirsi, la più famosa delle quali è sicuramente quella prodotta dalla mente di Albert Einstein.