Per decenni, astronomi, fisici e cosmologi hanno teorizzato che l’universo è pieno di un materiale esotico chiamato “materia oscura” che spiega lo strano comportamento gravitazionale delle galassie e degli ammassi di galassie.
La materia oscura, secondo modelli matematici, costituisce tre quarti di tutta la materia nell’universo. Ma non è mai stata vista o spiegata completamente. E mentre la materia oscura è diventata la teoria prevalente per spiegare uno dei più grandi misteri dell’universo, alcuni scienziati hanno cercato spiegazioni alternative sul perché le galassie si comportano come fanno.
Ora, un team internazionale di scienziati dice di aver trovato nuove prove che forse la materia oscura non esiste davvero dopo tutto.
Nella ricerca pubblicata a novembre nell’Astrophysical Journal, gli scienziati riportano piccole discrepanze nelle velocità orbitali di stelle lontane che pensano rivelino un debole effetto gravitazionale – e uno che potrebbe mettere fine alle idee prevalenti della materia oscura.
Lo studio suggerisce una comprensione scientifica incompleta della gravità è dietro quello che sembra essere la forza gravitazionale di galassie e ammassi di galassie, piuttosto che vaste nuvole di materia oscura.
Questo potrebbe significare la matematica pura, e non la materia invisibile, potrebbe spiegare perché le galassie si comportano come fanno, ha detto il co-autore dello studio Stacy McGaugh, che dirige il dipartimento di astronomia alla Case Western Reserve University di Cleveland.
La nuova ricerca riporta che i segni di una debole marea gravitazionale, conosciuta come “effetto campo esterno” o EFE, possono essere osservati statisticamente nelle velocità orbitali delle stelle in più di 150 galassie.
Gli autori dicono che l’effetto non può essere spiegato dalle teorie della materia oscura, ma è previsto da quella che è conosciuta come la teoria della dinamica newtoniana modificata, o MOND.
“Quello che stiamo veramente dicendo è che c’è assolutamente la prova di una discrepanza”, ha detto McGaugh. “
Gli astronomi hanno a lungo supposto che le stelle orbitassero intorno ai centri delle galassie alle velocità previste dalla teoria della gravità formulata dal fisico e matematico inglese Isaac Newton più di 300 anni fa.
Newton basò la sua teoria che gli oggetti si attraggono con una forza che varia secondo la loro massa sulle osservazioni delle orbite dei pianeti. Con i perfezionamenti delle teorie del fisico di origine tedesca Albert Einstein nel 20° secolo, rimane sorprendentemente accurata.
Ma le osservazioni dell’ammasso di galassie Coma negli anni ’30 dell’astronomo svizzero Fritz Zwicky, che allora lavorava al California Institute of Technology, trovarono che era soggetto a forze gravitazionali più grandi del previsto – un effetto che attribuì alla “dunkel (kalt) materie,” che è tedesco per “materiale scuro (freddo).”
Quando gli astronomi americani Vera Rubin e Kent Ford trovarono anomalie nelle orbite delle stelle nelle galassie negli anni ’70, molti scienziati teorizzarono che fossero causate da masse di “materia oscura” invisibile all’interno e intorno alle galassie, e l’idea ha dominato l’astrofisica da allora.
In base ad alcune stime, la materia oscura costituisce circa l’85% di tutta la materia dell’universo. Si dice che interagisca con la luce e la materia visibile solo attraverso la gravità, e spiega le anomalie osservate nelle galassie lontane.
Ma non è mai stata vista, e finora nessuno ha spiegato completamente cosa potrebbe essere, anche se i candidati della materia oscura includono particelle massicce debolmente interagenti, o WIMPS, buchi neri primordiali e neutrini.
MOND è stato formulato negli anni ’80 da un fisico israeliano, Mordehai Milgrom, per spiegare le discrepanze osservate senza materia oscura.
Propone che la gravità causi un’accelerazione molto piccola, non prevista da Newton ed Einstein, a livelli così bassi che può essere vista solo in oggetti di dimensioni galattiche; e vorrebbe dire che la spiegazione della materia oscura non è necessaria.
Finora, MOND è sopravvissuto a diversi test scientifici – anche se molti scienziati dicono che non può spiegare le osservazioni dell’ammasso Bullet di galassie in collisione, per esempio.
McGaugh ammette che MOND è una visione di minoranza in astrofisica, e che la maggior parte degli scienziati favorisce l’esistenza della materia oscura – un’idea che lui stesso ha favorito, finché non ha cominciato a cambiare idea circa 25 anni fa.
“Una volta avrei detto le stesse cose: è assolutamente provato che c’è la materia oscura, non preoccupatevi”, ha detto.
Ma molte delle previsioni della MOND sono state viste nelle osservazioni astronomiche, e l’ultima ricerca è una prova in più per essa, ha detto.
“MOND è l’unica teoria che ha avuto successo in questo modo”, ha detto McGaugh. “
La nuova ricerca solleva “una questione molto interessante”, ha detto Matthias Bartelmann, un professore di astrofisica teorica all’Università di Heidelberg in Germania, che non è stato coinvolto nello studio.
“Può la materia oscura essere spiegata da una diversa legge di gravità? Sarebbe molto importante per la cosmologia e la fisica delle particelle se potesse”, ha detto in una e-mail.
Ha dubbi, tuttavia, che l'”effetto di campo esterno” riportato nella nuova ricerca sia davvero una previsione unica della MOND, e che non possa essere spiegato da alcune teorie concorrenti.
E poiché la teoria MOND è stata formulata per rendere conto delle discrepanze rotazionali nelle galassie, testandola sulle galassie ci si aspetterebbe di ottenere risultati convincenti; invece, MOND doveva essere testata con successo su altri oggetti, come gli ammassi di galassie, ha detto.