Per secoli, gli scienziati sono stati alle prese con le forze fondamentali che governano l'universo tra cui la gravità e, più recentemente, la materia oscura.
La gravità è una delle quattro forze fondamentali della natura insieme alla forza elettromagnetica, alla forza (nucleare) debole e alla forza (nucleare) forte. È la forza invisibile di attrazione che si esercita tra oggetti dotati di massa e gioca un ruolo cruciale nella formazione del cosmo, delle galassie e nelle orbite dei pianeti. Sulla superficie terrestre, la gravità attira gli oggetti verso il centro del pianeta, dando loro un peso.

Secondo la teoria della relatività generale di Albert Einstein, la gravità nasce dalla curvatura dello spazio-tempo causata dalla presenza di massa ed energia. Più un oggetto è massiccio, maggiore è la sua influenza gravitazionale sugli altri oggetti. Tuttavia, con l'aumentare delle nostre conoscenze sull'universo sono aumentati anche i misteri, come il bisogno di introdurre la materia oscura, una forma di materia ipotetica ma necessaria per spiegare alcune osservazioni astrofisiche che sembrano richiedere molta più materia di quella visibile. 

Questa "sostanza", però, è rimasta un vero enigma da quando fu suggerita per la prima volta dall'astronomo olandese Jan Oort nel 1932.
Uno dei misteri più sconcertanti è che dovrebbe costituire una parte significativa della massa totale dell’universo.

A differenza della materia ordinaria, che possiamo vedere e con cui possiamo interagire direttamente, la materia oscura non emette, assorbe o riflette la luce, rendendola invisibile ai telescopi e ad altri strumenti di rilevamento. Viene dedotta esclusivamente dagli effetti gravitazionali che esercita sulla materia visibile, come le curve di rotazione delle galassie e il movimento delle galassie all’interno degli ammassi. Ciò porta gli scienziati a mettere in discussione la natura stessa della gravità.

Il  Dr. Richard Lieu ha cercato una nuova prospettiva per risolvere il puzzle e ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Monthly Notice della Royal Astronomical Society.

"La mia ispirazione è venuta dalla ricerca di un'altra soluzione alle equazioni del campo gravitazionale della relatività generale - la cui versione semplificata, applicabile alle condizioni delle galassie e degli ammassi di galassie, è nota come equazione di Poisson - che dà una forza gravitazionale finita in assenza di massa rilevabile," dice Lieu, illustre professore di fisica e astronomia alla UAH, una parte del sistema dell'Università dell'Alabama.

"Questa iniziativa è a sua volta guidata dalla mia frustrazione per lo status quo, vale a dire l'idea dell'esistenza della materia oscura nonostante la mancanza di prove dirette per un intero secolo".


La materia oscura non serve

Il ricercatore sostiene che la gravità “in eccesso” necessaria per tenere insieme una galassia o un ammasso potrebbe essere dovuta a serie concentriche di difetti topologici simili a gusci in strutture comunemente presenti in tutto il cosmo. Queste furono probabilmente create durante l’universo primordiale quando si verificò una transizione di fase, un processo fisico in cui lo stato complessivo della materia cambia insieme in tutto l’universo.

"Non è chiaro al momento quale forma precisa di transizione di fase nell'universo possa dare origine a difetti topologici di questo tipo", afferma Lieu.
"Gli effetti topologici sono regioni dello spazio molto compatte con un'altissima densità di materia, solitamente sotto forma di strutture lineari note come stringhe cosmiche, sebbene siano possibili anche strutture 2D come gusci sferici".

L’effetto della gravità senza massa assomiglia alla materia oscura.
I gusci proposti nell’articolo di Lieu sono costituiti da un sottile strato interno di massa positiva e da un sottile strato esterno di massa negativa.

Mentre la massa totale di entrambi gli strati è esattamente zero, una stella che giace su questo guscio subisce una grande forza gravitazionale che la trascina verso il centro del guscio.

Poiché la forza gravitazionale implica fondamentalmente la deformazione dello spazio-tempo stesso, consente a tutti gli oggetti di interagire tra loro, indipendentemente dal fatto che abbiano massa o meno. È stato confermato, ad esempio, che i fotoni privi di massa subiscono effetti gravitazionali da oggetti astronomici.
"La deflessione gravitazionale della luce da parte di un insieme di gusci singolari concentrici che compongono una galassia o un ammasso è dovuta al fatto che un raggio di luce viene deviato leggermente verso l'interno - cioè verso il centro della struttura su larga scala, o l'insieme di gusci - mentre passa attraverso un guscio", osserva Lieu.

Quando la luce attraversa più gusci, l’effetto cumulativo si traduce in una deflessione misurabile che ricorda da vicino l’influenza gravitazionale tipicamente attribuita alla presenza di una quantità significativa di materia oscura, simile alle velocità osservate delle orbite stellari all’interno delle galassie.

La deflessione della luce e le velocità orbitali stellari sono gli unici mezzi con cui si misura l'intensità del campo gravitazionale in una struttura su larga scala, sia essa una galassia o un ammasso di galassie.
L’articolo di Lieu sostiene che i gusci ipotizzati siano privi di massa, suggerendo che potrebbe non esserci bisogno di perpetuare la ricerca apparentemente infinita della materia oscura.

Tuttavia, "questo articolo non tenta di affrontare il problema della formazione della struttura", sottolinea Lieu. "Ma è la prima prova che la gravità può esistere senza massa".
Le domande per la ricerca futura si concentreranno probabilmente su come una galassia o un ammasso si forma dall’allineamento di questi gusci, nonché su come avviene l’evoluzione delle strutture.