Da molti anni ormai, astronomi e fisici sono stati in conflitto. 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. Nuova ricerca, pubblicato in Astronomia e astrofisica questa settimana, spinge i limiti delle osservazioni della materia oscura alle regioni esterne sconosciute delle galassie, e così facendo rivaluta diversi modelli di materia oscura e teorie alternative della gravità. Misure 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. Però, 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). Ulteriori ruoli importanti sono stati interpretati da Kyle Oman (RUG e Durham University) e Edwin Valentijn (RUG). Nel 2016, Brouwer eseguì anche un primo test delle idee di Verlinde; questa volta, Anche lo stesso Verlinde si è unito al gruppo di ricerca.

Materia o gravità?

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 delle stelle, stelle che si muovono più velocemente del previsto, e persino effetti sul moto di intere galassie. Senza dubbio tutti questi effetti sono causati dalla gravità, ma la domanda è:stiamo davvero osservando una gravità aggiuntiva, causato da 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), eseguita utilizzando il VLT Survey Telescope dell'ESO in Cile. In queste osservazioni si misura come la luce stellare proveniente da galassie lontane viene piegata dalla gravità nel suo cammino verso i nostri telescopi. Considerando che nel 2016 le misurazioni di tali "effetti lente" coprivano solo un'area di circa 180 gradi quadrati nel cielo notturno, nel frattempo questo è stato esteso a circa 1000 gradi quadrati, consentendo ai ricercatori di misurare la distribuzione della gravità in circa un milione di galassie diverse.

Test comparativi

Brouwer e i suoi colleghi hanno selezionato oltre 259, 000 galassie isolate, per cui sono stati in grado di misurare la cosiddetta 'Radial Acceleration Relation' (RAR). Questo RAR confronta la quantità di gravità prevista in base alla materia visibile nella galassia, alla quantità di gravità effettivamente presente, in altre parole:il risultato mostra quanta gravità "extra" c'è, oltre a quello dovuto alla materia normale. 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 di lente della gravità, i ricercatori sono stati ora in grado di determinare il RAR 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 permesso di misurare la gravità extra in modo estremamente preciso, ma questa gravità è il risultato di materia oscura invisibile, o abbiamo bisogno di migliorare la nostra comprensione della gravità stessa? L'autore Kyle Oman indica che l'ipotesi di "roba reale" sembra funzionare almeno in parte:"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 del 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, I TOPI, fa previsioni che corrispondono molto bene alle nostre misurazioni. È stata una sorpresa per noi che l'altra simulazione, BAHAMAS, portato a previsioni molto diverse. Che le previsioni dei due modelli differissero del tutto era già sorprendente, visto che i modelli sono molto simili Ma inoltre, ci saremmo aspettati che se si fosse presentata una differenza, BAHAMAS avrebbe dato il meglio. BAHAMAS è un modello molto più dettagliato dei MICE, avvicinandoci alla nostra attuale comprensione di come si formano le galassie in un universo con materia oscura molto più vicino. Ancora, MICE si comporta meglio se confrontiamo le sue previsioni con le nostre misurazioni. Nel futuro, sulla base delle nostre scoperte, vogliamo indagare ulteriormente sulle cause delle differenze tra le simulazioni".

Giovani e vecchie galassie

Così sembra che, almeno un modello di materia oscura sembra funzionare. Però, i modelli alternativi di gravità prevedono anche il RAR misurato. uno stallo, sembra, quindi come facciamo a scoprire quale modello è corretto? Margot Brouwer, che ha guidato il gruppo di ricerca, continua:"Sulla base dei nostri test, la nostra conclusione originale era che i due modelli di gravità alternativi e MICE corrispondessero alle osservazioni ragionevolmente bene. Però, la parte più emozionante doveva ancora venire:poiché avevamo accesso a oltre 259, 000 galassie, potremmo dividerli in diversi tipi:relativamente giovani, galassie a spirale blu contro relativamente vecchie, galassie ellittiche rosse." Questi due tipi di galassie si verificano in modi molto diversi:le galassie ellittiche rosse si formano quando diverse galassie interagiscono, per esempio quando due galassie a spirale blu passano l'una vicino all'altra, o addirittura scontrarsi. 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 prevedere un rapporto fisso tra la gravità attesa e misurata nei due tipi di galassie, cioè indipendenti 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".

Però, c'è un avvertimento:gas. Molte galassie sono probabilmente circondate da una nube diffusa di gas caldo, che è molto difficile da osservare. Se fosse il caso che non ci fosse quasi nessun gas intorno alle giovani galassie a spirale blu, ma che le vecchie galassie ellittiche rosse vivono in una grande nube di gas, di massa approssimativamente la stessa delle stelle stesse, allora questo potrebbe spiegare la differenza nel RAR tra i due tipi. Per giungere a 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 un centinaio di galassie, e queste misurazioni hanno effettivamente trovato più gas intorno alle galassie ellittiche, ma non è ancora chiaro quanto siano rappresentative queste misurazioni per il 259, 000 galassie che sono state studiate nella ricerca attuale.

Materia oscura per la vittoria?

Se si scopre che il gas in più non può spiegare la differenza tra i due tipi di galassie, quindi 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 allora, la questione non è ancora risolta. 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 alla statica, isolato, galassie sferiche, quindi non ci si può aspettare di distinguere i diversi tipi di galassie. Considero questi risultati una sfida e un'ispirazione per sviluppare un approccio asimmetrico, versione dinamica della mia teoria, in cui le galassie con una forma e una storia diverse possono avere una quantità diversa di "materia oscura apparente".

Perciò, anche dopo le nuove misurazioni, la disputa tra materia oscura e teorie alternative della gravità non è ancora risolta. Ancora, i nuovi risultati sono un importante passo avanti:se la differenza di gravità misurata tra i due tipi di galassie è corretta, poi il modello definitivo, qualunque sia, dovrà essere sufficientemente preciso per spiegare questa differenza. Ciò significa in particolare che molti modelli esistenti possono essere scartati, che assottiglia notevolmente il panorama delle possibili spiegazioni. Oltre a ciò, la nuova ricerca mostra che sono necessarie misurazioni sistematiche del gas caldo intorno alle galassie. Edwin Valentijn formula è la seguente:"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".