Gli scienziati sono alla ricerca della "materia oscura" - una sostanza sconosciuta e invisibile che si pensa costituisca la stragrande maggioranza della materia nell'universo - da quasi un secolo. La ragione di questa persistenza è che la materia oscura è necessaria per spiegare il fatto che le galassie non sembrano obbedire alle leggi fondamentali della fisica. Però, le ricerche sulla materia oscura non hanno avuto successo.

Ma ci sono altri approcci per dare un senso al perché le galassie si comportano in modo così strano. Il nostro nuovo studio, pubblicato in Journal of Cosmology and Astroparticle Physics , mostra che, modificando le leggi di gravità sulle enormi scale delle galassie, dopotutto potremmo non aver bisogno della materia oscura.

L'astronomo svizzero Fritz Zwicky scoprì negli anni '30 che le velocità negli ammassi di galassie erano troppo alte per spiegare quanta materia potevamo vedere. Un fenomeno simile è stato descritto da diversi gruppi di astronomi, come Vera Rubin e Kent Ford, quando hanno studiato il moto delle stelle ai bordi estremi della Galassia di Andromeda.

Ci si aspettava che le velocità delle stelle lontane dal suo centro diminuissero, poiché sperimentano una forza gravitazionale minore. È perché, secondo la seconda legge del moto di Newton, l'attrazione gravitazionale sulla materia orbitante può essere equiparata al prodotto della sua massa e dell'accelerazione (che è correlata alla velocità).

Però, le misurazioni hanno mostrato che non c'era tale diminuzione delle velocità con la distanza. Ciò ha portato gli scienziati a credere che ci debba essere della materia invisibile lì per creare una forza gravitazionale più forte e un movimento stellare più veloce. Negli ultimi decenni, innumerevoli altre sonde di sistemi gravitanti su scale di lunghezza molto grandi hanno indicato lo stesso problema.

Oltre la materia oscura

Il mistero di cosa sia effettivamente la materia oscura rimane la sfida finale della moderna fisica fondamentale. La questione centrale è se si tratti davvero di una fonte di massa mancante, come un nuovo tipo di materia, o se la legge gravitazionale è semplicemente diversa su scale di lunghezza gigantesche.

Mentre la prima opzione sembra molto allettante, in realtà non abbiamo ancora trovato materia oscura. Anche, mentre le leggi di gravità sono ben testate all'interno del sistema solare, bisogna stare attenti a estrapolare questo a scale che sono almeno un miliardo di volte più grandi.

Un noto tentativo di eliminare la necessità della materia oscura è Modified Newtonian Dynamics (MOND), il che suggerisce che la legge di gravità di Newton diventa irregolare quando l'attrazione gravitazionale è molto debole, come nel caso delle regioni esterne della galassia. Ma questa teoria, pur avendo successo sotto molti aspetti, non ha superato gli stessi severi test del nostro modello standard di cosmologia, che include la materia oscura.

Il problema principale è che MOND non può spiegare contemporaneamente il problema della massa mancante nelle galassie e negli ammassi di galassie. Un altro argomento molto forte contro MOND si basa sull'osservazione di ammassi di galassie in collisione, dove le stelle di ogni galassia si incrociano, ma le nuvole di gas si uniscono e restano indietro. Un famoso esempio è il Bullet Cluster, che consiste di due di questi cluster in collisione. Le osservazioni suggeriscono che la materia oscura segue le stelle in questi eventi, che hanno una massa totale inferiore alla nuvola di gas. MOND non può spiegare perché.

Bolle spaziali

Abbiamo deciso di modificare le leggi di gravità in un modo diverso. Il nostro approccio presupponeva che fosse all'opera un fenomeno noto come screening di Vainshtein. Ciò suggerisce che ciascuno sufficientemente denso, oggetto compatto nello spazio genera intorno a sé una sfera invisibile che determina come si comportano le leggi della fisica con l'aumentare della distanza. Questa sfera è un concetto teorico per aiutarci a capire la differenza tra piccola e grande scala, piuttosto che una vera membrana fisica.

Secondo la nostra teoria, all'interno di questa bolla le leggi della gravità newtoniana ordinaria che vediamo nel nostro sistema solare valgono per gli oggetti che interagiscono con il corpo massiccio al centro. Fuori dalla bolla, la teoria suggerisce che l'attrazione gravitazionale dell'oggetto centrale può essere notevolmente migliorata, anche se non è presente più massa.

La dimensione della bolla sarebbe proporzionale alla massa dell'oggetto centrale. Se, Per esempio, in una galassia questa sfera ha un raggio di qualche migliaio di anni luce – una distanza tipica alla quale si osservano segni di materia oscura – la corrispondente sfera del nostro sole avrebbe un raggio di 50.000 unità astronomiche (una di queste unità è la distanza tra il sole e la Terra). Però, il confine del sistema solare dista solo 50 unità astronomiche. In altre parole, non ci sono oggetti che possiamo osservare così lontano dal sole per verificare se il sole esercita su di loro un'attrazione gravitazionale diversa da quella che ha sulla Terra. Solo l'osservazione di interi sistemi molto lontani ci permette di farlo.

L'effetto sorprendente è che la dimensione della bolla newtoniana cresce con la massa racchiusa in un modo particolare. Ciò significa che la legge di gravità cambia a diverse scale di lunghezza rispettivamente nelle galassie e negli ammassi di galassie e quindi può spiegare l'apparente materia oscura in entrambi i sistemi contemporaneamente. Non è possibile con MOND. Per di più, è coerente con l'osservazione del Bullet Cluster. Questo perché le nubi di gas lasciate nella collisione non sono abbastanza compatte da generare una sfera intorno a loro, il che significa che l'apparente materia oscura è notevole solo intorno alle stelle più compatte. MOND non distingue tra stelle e nuvole di gas.

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, che consente l'esistenza della materia oscura. Quindi potrebbe effettivamente esserci materia oscura meno misteriosa là fuori di quanto pensiamo – e forse anche nessuna.

Abbiamo intenzione di approfondire questo interessante fenomeno. Potrebbe anche essere responsabile dell'elevata variabilità del moto galattico, per i quali raccogliamo sempre più prove.

Qualsiasi corpo massiccio deforma lo spazio e il tempo intorno a sé, secondo la relatività generale. Di conseguenza, i raggi di luce girano apparentemente intorno all'oggetto invece di viaggiare in linea retta, un effetto chiamato lente gravitazionale. Un test estremamente interessante della nostra scoperta sarebbe l'osservazione della precisa deflessione della luce gravitazionale da parte delle singole galassie, che è anche una misurazione difficile. La nostra teoria prevede una deflessione della luce più forte per le galassie molto compatte, quindi, eccitante, potrebbe un giorno essere falsificato o confermato da tale misurazione.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.