I ricercatori dell'Università di Bonn e dell'Università della California a Irvine hanno utilizzato sofisticate simulazioni al computer per ideare un test che potesse rispondere a una domanda scottante in astrofisica:esiste davvero la materia oscura? Oppure la legge gravitazionale di Newton deve essere modificata? Il nuovo studio, ora pubblicato in Lettere di revisione fisica , mostra che la risposta è nascosta nel movimento delle stelle all'interno di piccole galassie satellite che vorticano intorno alla Via Lattea.

Utilizzando uno dei supercomputer più veloci al mondo, gli scienziati hanno simulato la distribuzione della materia delle cosiddette galassie "nane" satellitari. Queste sono piccole galassie che orbitano attorno a galassie più grandi come la Via Lattea o Andromeda.

I ricercatori si sono concentrati su una relazione chiamata relazione di accelerazione radiale (RAR). Nelle galassie del disco, le stelle si muovono in orbite circolari attorno al centro galattico. L'accelerazione che li costringe a cambiare direzione è causata dall'attrazione della materia nella galassia. Il RAR descrive la relazione tra questa accelerazione e quella causata dalla sola materia visibile. Fornisce una panoramica della struttura delle galassie e della loro distribuzione di materia.

"Ora abbiamo simulato, per la prima volta, il RAR delle galassie nane partendo dal presupposto che la materia oscura esista, " spiega il Prof. Dott. Cristiano Porciani dell'Argelander Institute for Astronomy presso l'Università di Bonn. "Si è scoperto che si comportano come versioni in scala ridotta di galassie più grandi." Ma cosa succede se non c'è materia oscura e invece la gravità funziona in modo diverso di quanto pensasse Newton? "In questo caso, il RAR delle galassie nane dipende fortemente dalla distanza dalla loro galassia madre, mentre questo non accade se esiste la materia oscura, " spiega il ricercatore Emilio Romano-Díaz.

Questa differenza rende i satelliti una potente sonda per verificare se la materia oscura esiste davvero. La navicella spaziale Gaia, lanciato dall'Agenzia Spaziale Europea (ESA) nel 2013, potrebbe fornire una risposta. È stato progettato per studiare le stelle della Via Lattea e le sue galassie satellite con dettagli senza precedenti e ha raccolto una grande quantità di dati.

Però, probabilmente ci vorranno anni per analizzare i dati. "Le misurazioni individuali non sono sufficienti per testare le piccole differenze che abbiamo riscontrato nelle nostre simulazioni, " spiega il dottorando Enrico Garaldi. "Ma esaminare ripetutamente le stesse stelle migliora ogni volta le misurazioni. Presto o tardi, dovrebbe essere possibile determinare se le galassie nane si comportano come in un universo con materia oscura, oppure no."

Il cemento che tiene insieme le galassie

Questa domanda è una delle questioni più urgenti in cosmologia oggi. L'esistenza della materia oscura è stata suggerita più di 80 anni fa dall'astronomo svizzero Fritz Zwicky. Si rese conto che le galassie si muovono così velocemente all'interno degli ammassi di galassie che dovrebbero effettivamente allontanarsi. Ha quindi postulato la presenza di materia invisibile che, per la sua massa, esercita una gravità sufficiente per mantenere le galassie sulle orbite osservate. Negli anni '70, la sua collega statunitense Vera Rubin ha scoperto un fenomeno simile nelle galassie a spirale come la Via Lattea:ruotano così velocemente che la forza centrifuga dovrebbe separarle se fosse presente solo materia visibile.

Oggi, la maggior parte dei fisici è convinta che la materia oscura costituisca circa l'80% della massa dell'universo. Poiché non interagisce con la luce, è invisibile ai telescopi. Ancora, supponendo che la sua esistenza fornisca un eccellente adattamento a una serie di altre osservazioni, come la distribuzione della radiazione di fondo, il bagliore del Big Bang. La materia oscura fornisce anche una buona spiegazione per la disposizione e il tasso di formazione delle galassie nell'universo. Però, nonostante i numerosi sforzi sperimentali, non ci sono prove dirette dell'esistenza della materia oscura. Ciò ha portato gli astronomi all'ipotesi che la forza gravitazionale stessa potesse comportarsi in modo diverso da quanto si pensasse in precedenza. Secondo la teoria chiamata dinamica newtoniana modificata (MOND), l'attrazione tra due masse obbedisce alle leggi di Newton solo fino a un certo punto. Ad accelerazioni molto piccole, come quelli prevalenti nelle galassie, gravità diventa notevolmente più forte. Perciò, le galassie non si lacerano a causa della loro velocità di rotazione e la teoria MOND può fare a meno della materia oscura.

Il nuovo studio apre la possibilità agli astronomi di testare queste due ipotesi in un regime senza precedenti.