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Materia Oscura o un’altra gravità?

Images: Bart Delsaert (www.delsaert.com).

La misteriosa materia oscura che osserviamo nelle profondità dell’Universo è reale o ciò che vediamo è il risultato di sottili deviazioni dalle leggi di gravità come le conosciamo? Nel 2016, il fisico olandese Erik Verlinde ha proposto una teoria del secondo tipo: la gravità emergente. Una nuova ricerca, pubblicata su Astronomy & Astrophysics questa settimana, spinge i limiti delle osservazioni sulla materia oscura alle regioni esterne sconosciute delle galassie, e così facendo rivaluta diversi modelli di materia oscura e teorie alternative della gravità. Le misurazioni della gravità di 259.000 galassie isolate mostrano una relazione molto stretta tra i contributi della materia oscura e quelli della materia ordinaria, come previsto dalla teoria della gravità emergente di Verlinde e da un modello alternativo chiamato Dinamica Newtoniana Modificata. Tuttavia, i risultati sembrano anche concordare con una simulazione al computer dell’Universo che presuppone che la materia oscura sia “roba reale”.

La nuova ricerca è stata condotta da un team internazionale di astronomi, guidato da Margot Brouwer (RUG e UvA). Tra i coautori sono da citare Kyle Oman (RUG e Durham University) e Edwin Valentijn (RUG). Nel 2016, Brouwer ha anche eseguito un primo test delle idee di Verlinde; questa volta, anche lo stesso Verlinde si è unito al gruppo di ricerca.

Finora, la materia oscura non è mai stata osservata direttamente, da cui il nome. Ciò che gli astronomi osservano nel cielo notturno sono le conseguenze della materia potenzialmente presente: flessione della luce stellare, stelle che si muovono più velocemente del previsto e persino effetti sul movimento di intere galassie. Senza dubbio tutti questi effetti sono causati dalla gravità, ma la domanda è: stiamo davvero osservando la gravità aggiuntiva, causata dalla materia invisibile, o sono le stesse leggi di gravità la cosa che non abbiamo ancora compreso appieno?

Per rispondere a questa domanda, la nuova ricerca utilizza un metodo simile a quello utilizzato nel test originale nel 2016. Brouwer e i suoi colleghi si avvalgono di una serie continua di misurazioni fotografiche iniziata dieci anni fa: il KiloDegree Survey (KiDS), eseguito utilizzando il telescopio per sondaggi VLT dell’ESO in Cile. In queste osservazioni si misura come la luce stellare proveniente da galassie lontane venga piegata dalla gravità nel suo cammino verso i nostri telescopi. Mentre nel 2016 le misurazioni di tali “effetti lente” coprivano solo un’area di circa 180 gradi quadrati nel cielo notturno, nel frattempo questa è stata estesa a circa 1000 gradi quadrati, consentendo ai ricercatori di misurare la distribuzione della gravità in circa un milione di galassie diverse.

Brouwer e i suoi colleghi hanno selezionato oltre 259.000 galassie isolate, per le quali sono stati in grado di misurare la cosiddetta “Radial Acceleration Relation” (RAR). La RAR confronta la quantità di gravità prevista in base alla materia visibile nella galassia, alla quantità di gravità effettivamente presente. Fino ad ora, la quantità di gravità extra era stata determinata solo nelle regioni esterne delle galassie osservando i moti delle stelle e in una regione circa cinque volte più grande misurando la velocità di rotazione del gas freddo. Usando gli effetti della lente gravitazionale, i ricercatori sono stati ora in grado di determinare il RAR attribuendolo a forze gravitazionali che erano cento volte più piccole, permettendo loro di penetrare molto più in profondità nelle regioni molto al di fuori delle singole galassie.

Ciò ha reso possibile misurare la gravità extra in modo estremamente preciso – ma questa gravità è il risultato di materia oscura invisibile o dobbiamo migliorare la nostra comprensione della gravità stessa? L’autore Kyle Oman indica che l’ipotesi di “roba reale” almeno in parte sembra funzionare: «Nella nostra ricerca, confrontiamo le misurazioni con quattro diversi modelli teorici: due che presuppongono l’esistenza della materia oscura e costituiscono la base delle simulazioni al computer di il nostro universo e due che modificano le leggi di gravità: il modello di gravità emergente di Erik Verlinde e la cosiddetta “Dinamica Newtoniana modificata” o MOND. Una delle due simulazioni di materia oscura, MICE, fa previsioni che corrispondono molto bene alle nostre misurazioni. È stata una sorpresa per noi che l’altra simulazione, BAHAMAS, abbia portato a previsioni molto diverse. Che le previsioni dei due modelli differissero del tutto era già sorprendente, dal momento che i modelli sono così simili. Ma inoltre, ci saremmo aspettati che se si fosse verificata una differenza, i BAHAMAS avrebbero dato il meglio. BAHAMAS è un modello molto più dettagliato di MICE, avvicinandosi alla nostra attuale comprensione di come si formano le galassie in un universo con materia oscura molto più vicino. Tuttavia, MICE si comporta meglio se confrontiamo le sue previsioni con le nostre misurazioni. In futuro, sulla base dei nostri risultati, vogliamo indagare ulteriormente sulle cause delle differenze tra le simulazioni».

Quindi sembra che almeno un modello di materia oscura sembri funzionare. Tuttavia, i modelli alternativi di gravità prevedono anche il RAR misurato. Sembra una situazione di stallo, quindi come facciamo a scoprire quale modello è corretto? Margot Brouwer, che ha guidato il team di ricerca, continua: «Sulla base dei nostri test, la nostra conclusione originale era che i due modelli di gravità alternativi e il MICE corrispondevano abbastanza bene alle osservazioni. Tuttavia, la parte più eccitante doveva ancora venire: poiché avevamo accesso a oltre 259.000 galassie, potevamo dividerle in diversi tipi: galassie a spirale blu relativamente giovani rispetto a galassie ellittiche rosse relativamente vecchie». Le galassie ellittiche rosse si formano quando diverse galassie interagiscono, ad esempio quando due galassie a spirale blu passano l’una vicino all’altra o addirittura si scontrano. Di conseguenza, l’aspettativa all’interno della teoria delle particelle della materia oscura è che il rapporto tra materia regolare e materia oscura nei diversi tipi di galassie possa variare. Modelli come la teoria di Verlinde e MOND d’altra parte non fanno uso di particelle di materia oscura, e quindi prevedono un rapporto fisso tra la gravità attesa e misurata nei due tipi di galassie, cioè indipendentemente dal loro tipo. Brouwer: «Abbiamo scoperto che i RAR per i due tipi di galassie differivano in modo significativo. Sarebbe un forte indizio sull’esistenza della materia oscura come particella».

Tuttavia, c’è un avvertimento: il gas. Molte galassie sono probabilmente circondate da una nube diffusa di gas caldo, molto difficile da osservare. Se ipotizzassimo che quasi nessun gas vi fosse intorno alle giovani galassie a spirale blu, ma che invece le vecchie galassie ellittiche rosse vivessero in una grande nuvola di gas – di circa la stessa massa delle stelle stesse – allora ciò potrebbe spiegare la differenza nel RAR tra i due tipi. Per giungere ad un giudizio definitivo sulla differenza misurata, bisognerebbe quindi misurare anche le quantità di gas diffuso – e questo è esattamente ciò che non è possibile utilizzando i telescopi KiDS. Altre misurazioni sono state fatte per un piccolo gruppo di circa cento galassie, e queste misurazioni hanno effettivamente trovato più gas attorno alle galassie ellittiche, ma non è ancora chiaro quanto siano rappresentative quelle misurazioni per le 259.000 galassie che sono state studiate nella ricerca attuale.

Se si scopre che il gas in più non può spiegare la differenza tra i due tipi di galassie, allora i risultati delle misurazioni sono più facili da capire in termini di particelle di materia oscura che in termini di modelli alternativi di gravità. Ma anche in questo caso la questione rimane irrisolta. Sebbene le differenze misurate siano difficili da spiegare utilizzando MOND, Erik Verlinde vede ancora una via d’uscita per il suo modello. Verlinde: «Il mio modello attuale si applica solo a galassie statiche, isolate, sferiche, quindi non ci si può aspettare che distingua i diversi tipi di galassie. Considero questi risultati una sfida e un’ispirazione per sviluppare una versione asimmetrica e dinamica della mia teoria, in cui le galassie con una forma e una storia diverse possono avere una quantità diversa di materia oscura apparente».

Pertanto, anche dopo le nuove misurazioni, la disputa tra materia oscura e teorie alternative della gravità non è stata ancora risolta. Tuttavia, i nuovi risultati sono un importante passo avanti: se la differenza di gravità misurata tra i due tipi di galassie è corretta, allora il modello definitivo, qualunque esso sia, dovrà essere abbastanza preciso da spiegare questa differenza. Ciò significa in particolare che molti modelli esistenti possono essere scartati, il che assottiglia notevolmente il panorama delle possibili spiegazioni. Inoltre, la nuova ricerca mostra che sono necessarie misurazioni sistematiche del gas caldo intorno alle galassie. Ne consegue per Edwin Valentijn che «come astronomi osservativi, abbiamo raggiunto il punto in cui siamo in grado di misurare la gravità extra attorno alle galassie in modo più preciso di quanto possiamo misurare la quantità di materia visibile. La conclusione controintuitiva è che dobbiamo prima misurare la presenza di materia ordinaria sotto forma di gas caldo attorno alle galassie, prima che futuri telescopi come Euclid possano finalmente risolvere il mistero della materia oscura».

“The weak lensing radial acceleration relation: Constraining modified gravity and cold dark matter theories with KiDS-1000”, M. Brouwer et al., Astronomy & Astrophysics 2021.

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