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Scritto: Sabato, 29 Agosto 2020 09:41 Ultima modifica: Martedì, 08 Settembre 2020 08:32

"Curve pericolose" per la Materia Oscura...


Uno studio tutto italiano mina alla base il ricorso alla materia oscura per spiegare la "curva di rotazione piatta" della Via Lattea e di altre galassie, una delle prime e più famose prove a sostegno dell'esistenza di questa misteriosa componente. E lo fa utilizzando semplicemente le formule della relatività generale...

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Curva di rotazione galattica ricavata dai dati Gaia (stelle con barre di errore) e messa a confronto con due modelli illustrati nell'articolo. Sono anche mostrati i contributi dovuti alle diverse componenti (rigonfiamento centrale, disco spesso, diso sottile e alone galattico) Curva di rotazione galattica ricavata dai dati Gaia (stelle con barre di errore) e messa a confronto con due modelli illustrati nell'articolo. Sono anche mostrati i contributi dovuti alle diverse componenti (rigonfiamento centrale, disco spesso, diso sottile e alone galattico) Credits:M.Crosta et al.,"MW rotational curve with Gaia DR2",2020 - Improvement: Marco Di Lorenzo

 Poco più di un mese fa, parlando degli ultimi risultati di Gaia, avevo accennato al rivoluzionario studio presentato da quattro ricercatori che lavorano presso l'INAF a Torino (Mariateresa Crosta, Marco Giammaria, Mario G. Lattanzi ed Eloisa Poggio), pubblicato sulle "Monthly Notices" della Royal Astronomical Society. All'epoca mi ero ripromesso di andare a fondo nella questione, che probabilmente non ha ricevuto il giusto peso mediatico (le considerazioni personali su questo le farò in calce all'articolo). Vediamo meglio di cosa si tratta e come questa ricerca si lega anche ad altri studi recenti sullo stesso argomento.

 

Un approccio diverso

 Tradizionalmente, la questione della curva piatta di rotazione galattica viene considerata in un contesto "newtoniano", partendo dal presupposto che la dinamica delle galassie obbedisca ad un regime quasi-classico, in cui le velocità delle stelle sono relativamente contenute (non relativistiche) e anche l'intensità del campo gravitazionale è relativamente debole rispetto a quello che possiamo trovare in prossimità di un buco nero. In simili situazioni, si assume che la dinamica classica di Newton sia il "limite" della dinamica relativistica e costituisca una sua accettabile approssimazione, da aggiustare eventualmente con delle piccole correzioni relativistiche di "primo ordine", senza applicare rigorosamente le equazioni della relatività generale a tutto il sistema, cosa che risulterebbe sicuramente più impegnativa. Come vedremo, questo nuovo lavoro mostra come l'approccio classico o semi-classico sia in realtà fallace se applicato al caso della rotazione della Via Lattea.

 Se la massa della Via Lattea fosse concentrata tutta al centro, la gravitazione di Newton prevede un andamento della velocità orbitale delle stelle nella galassia secondo l'inverso della radice quadrata della distanza. Questo succede effettivamente nel Sistema Solare, dove oltre il 99,8% della massa risiede nel Sole, ma non è certo applicabile nel caso della Via Lattea. Questa presenta, oltre alla concentrazione centrale (Bulge) anche un importante disco di stelle, polveri e gas che si estende oltre 20 chilo-parsec (65000 anni luce) dal centro, anche se sottile e sempre meno denso verso l'esterno; c'è inoltre una componente più sparsa e antica, quella dell'alone galattico, che si estende sopra e sotto il piano del disco e si spinge anche più lontano, Questa però è solo la parte visibile, sulla base della cui distribuzione era lecito aspettarsi un andamento della velocità di rotazione meno ripido di quello prima descritto ma sempre, comunque, in diminuzione con il crescere della distanza. Invece, le osservazioni ottiche e radio hanno dimostrato in maniera sempre più schiacciante un andamento praticamente costante della velocità sull'intero disco, indipendentemente dalla distanza dal centro. Questa apparente contraddizione venne spiegata ipotizzando la presenza di un massiccio alone invisibile di materia scura, che si estende oltre le dimensioni del disco visibile e costituisce la componente più importante della massa della Via Lattea, oggi stimata in almeno 1000 miliardi di masse solari, contro i 100 miliardi scarsi per la materia visibile.

 Quello presentato da Crosta e colleghi è, a detta degli stessi autori, il primo tentativo di applicare la cinematica relativistica basata sulle osservazioni di Gaia alla Curva di Rotazione (RC) galattica, in un ampio intervallo di distanze dal centro. Gli autori sottolineano il ruolo centrale, nell'ambito della moderna "astrometria relativistica", del "regime gravitazionale debole" e la necessità di affrontare l'intera questione in maniera coerente con la Relatività Generale. A proposito della presunta piccolezza degli effetti relativistici, essi fanno notare come, già nell'ambito del Sistema Solare, la correzione relativistica più grossolana produce discostamenti con un angolo circa 2 millisecondi d'arco (mas), perfettamente alla portata della precisione astrometrica di Gaia; invece, i termini di ordine successivo hanno un contributo trascurabile di 0,2 micro-secondi d'arco (µas), troppo piccole per essere misurate. Tuttavia, passando a ragionare sulla metrica spazio-temporale a scala galattica, i suddetti termini di ordine superiore forniscono un contributo di circa 100 µas, non più trascurabile in quanto confrontabile con la precisione media delle posizioni misurate da Gaia (che nei casi migliori si spinge a poche decine di µas).

 In altre parole, anche in un regime di bassa curvatura dello spazio-tempo come quello nel disco della Via Lattea, la descrizione fornita dalla Relatività Generale (GR) può non convergere alla descrizione classica Newtoniana. Un esempio in questo senso è fornito dal celebre effetto "Lense-Thirring" sul trascinamento del tessuto spaziotemporale; questo "frame-dragging" è un effetto relativistico "del secondo ordine" dovuto alla traslazione o alla rotazione di una grande massa nelle vicinanze. 

 Gli autori tracciano anche un parallelo tra la comprensione attuale della rotazione galattica e il problema della precessione anomala dell'orbita di Mercurio, un avanzamento residuo del perielio del pianeta pari a 43"/secolo non spiegata dalla dinamica newtoniana, se non facendo ricorso ad un fantomatico pianeta invisibile (Vulcano), La GR giustificò pienamente questo effetto senza ricorrere a fantasiose ipotesi "ad hoc", ma spiegandola come un effetto "debole" e non lineare del campo gravitazionale solare. Gli autori lasciano intendere che l'ipotesi di un alone galattico di materia oscura è un'altra giustificazione "ad hoc" di cui forse potremmo fare a meno, come per il pianeta Vulcano.

 

Una nuova Via Lattea

 Al giorno d'oggi, la GR è la teoria standard per la gravità e riesce a descriverne gli effetti su un intervallo ampio ben 60 ordini di grandezza, Pertanto, sarebbe corretto utilizzarla anche nello studio dinamico delle galassie, per quanto complicato esso possa risultare .In effetti, attualmente esistono solo pochi esempi di soluzioni esatte alle equazioni di Einstein e si tratta comunque di applicazioni ad oggetti decisamente più semplici di una galassia.

 Fatte queste premesse, gli autori iniziano considerando un modello idealizzato di Via Lattea, in cui il disco è costituito da una sorta di "polvere" senza collisioni, a simmetria assiale e in equilibrio con la gravità prodotta dalle zone centrali più dense. Il modello GR utilizzato è detto BG dai nomi dei suoi ideatori (Balasin e Grumiller); esso approssima come piatta la metrica dello spazio-tempo a grande distanza dal centro galattico. Il modello viene poi messo a confronto con la visione classica della via lattea (MWC), che prevede un "bulge" centrale, un disco e un alone principalmente fatto di materio oscura.

 Partendo dal catalogo Gaia DR2, si sono selezionate 5277 stelle dei primi tipi spettrali, oltre a 325 cefeidi classiche di tipo I; il criterio di selezione è basato sulla bontà dei dati astrometrici, la disponibilità di misure di velocità radiale ed anche la presenza di tali stelle nel catalogo infrarosso 2MASS, per poter discriminare meglio il tipo spettrale. Si tratta del campione più ampio mai utilizzato a questo scopo e, nel 99,4 % dei casi, le stelle risultano situate a distanze comprese tra 4.9 e 15.8 kpc dal centro galattico (16÷52 migliaia di anni luce) e a meno di 1 kpc di distanza dal piano galattico.

 Come si vede nella figura di apertura, l'indagine ha mostrato una curva sperimentale piatta nell'intervallo esplorato, con ondulazioni minime nella fascia più popolata e quindi statisticamente più significativa; in questa regione, che si estende da 7,5 a 8,5 kpc dal centro galattico (una fascia il cui bordo esterno include il Sole), si hanno oscillazioni di pochi km/s attorno al valore massimo di circa 232 km/s; alle estremità del campione, statisticamente meno significative perchè basate su poche decine di stelle in ciascun intervallo, ci si abbassa verso i 200 km/s. La curva rossa indica il modello BG usato dagli autori e basato sulla GR, mentre in blu c'è la curva "classica", basata sul modello newtoniano con alone di materia oscura. E' evidente che, sulla base dei dati, non è possibile discriminare o preferire uno dei due modelli rispetto all'altro.

 Gli autori hanno ricavato da queste velocità una densità di materia barionica (ordinaria) pari a una massa solare ogni 12 pc3 (circa 415 anni luce cubici), in buon accordo con le stime precedenti fatte da altri; la dipendenza di tale densità dalla distanza R dal centro galattico è illustrata di seguito, dove le curve colorate hanno lo stesso significato di prima ma adesso ci sono due curve "classiche" MWC, una che include la materia oscura (DM) e l'altra basata solo sulla materia barionica; come si vede, il divario tra il modello classico e quello relativistico è marcato solo nelle regioni più interne del disco (R compreso tra 1 e 3 kpc), non esaminate da Gaia; la differenza tra i modelli con e senza materia oscura è invece più marcata nelle regioni esterne del disco, oltre 10 kpc, ma rimane sempre piccola perchè il grosso della DM risiede nell'alone e, all'interno del sottile disco, ha un contributo confrontabile a quello della materia barionica.

Crosta2

 Credits:M.Crosta et al.,"MW rotational curve with Gaia DR2",2020N

Crosta3

 Credits:M.Crosta et al.,"MW rotational curve with Gaia DR2",2020 - Improvement: Marco Di Lorenzo

 Il grafico qui sopra, invece, mostra con linee tratteggiate i contributi che hanno il "dragging" relativistico e l'alone DM sulle curve BG e MWC, rispettivamente. Il fatto che questi contributi siano simili nella regione esterna (oltre la distanza del Sole dal centro galattico) fa capire come la relatività generale, con i suo effetti di "trascinamento" del tessuto spazio-tempo, possa rendere conto della piattezza della curva di rotazione osservata, senza dover ricorrere all'idea di materia oscura.

 La conclusione dello studio è che la dinamica globale della Via Lattea risulta dominata dallo spaziotempo deformato, mentre l'approssimazione Newtoniana vale solo localmente e non può essere utilizzata per descriverne il comportamento su grande scala. Gli autori auspicano che nuove osservazioni fornite dal catalogo Gaia DR3 (di imminente pubblicazione) possano confermare questo scenario e essi si augurano anche che vengano sviluppati, nel contempo, modelli relativistici ancora più dettagliati e completi, rispetto a questa prima soluzione ancora rozza e semplificata. Ne vale certamente la pena, soprattutto per capire il contributo all'effetto del trascinamento da parte della voluminosa concentrazione di massa rotante nella regione centrale del "bulge".

 

Anche le galassie ellittiche congiurano!

 L'articolo italiano non è l'unico a gettare un'ombra sul modello canonico delle curve di rotazione galattiche spiegate tramite la materia oscura. Ultimamente, infatti, è stato pubblicato un altro studio ad opera di un team internazionale (guidato dall'italiano Michele Cappellari dell’Università di Oxford), che ha analizzato le curve di rotazione nelle regioni esterne di 14 galassie ellittiche, utilizzando il telescopio Keck. E' emerso che ci sono sorprendenti analogie con il comportamento delle galassie a spirale: «La sorprendente scoperta del nostro studio è che le galassie ellittiche mantengono una velocità circolare notevolmente costante fino a grandi distanze dai loro centri, nello stesso modo in cui è già noto che lo facciano le galassie a spirale», dice Cappellari. «Questo significa che, pur molto diversi tra loro, in entrambi i tipi di galassie le stelle e le materia oscura “cospirano” per redistribuirsi nella galassia e produrre questo effetto che osserviamo, dove le stelle hanno il dominio delle regioni più interne, mentre la materia oscura prende gradualmente il sopravvento verso la periferia».

Cappellari1

Credits: Cappellari et al., "Nearly-isothermal mass profiles to 4Re in ETGs" - ApJ - Improvement: Marco Di Lorenzo

 Quello che Cappellari intende è mostrato nelle immagini qui sopra, che riportano il profilo di densità ricavato nelle galassie esaminate, ricavato dalla velocità di rotazione. Re indica una distanza di 10 kpc dal nucleo galattico, luogo la cui densità è presa come riferimento. Il grafico in alto a destra mostra il contributo della DM mentre quello in basso a sinistra è quello della sola materia barionica; come si vede, le due curve si combinano per fornire alla fine un andamento semplice ed univoco, una legge esponenziale del tipo ρ = r dove γ ≈ 2,1, valore peraltro in accordo con quanto dedotto da precedenti studi basati sul fenomeno delle lenti gravitazionali. Questa strana coincidenza, oltre a porre limiti più stringenti ai meccanismi di formazione delle galassie, fa sorgere anche qualche dubbio sulla stessa esistenza della materia oscura. Gli autori, infatti, accennano anche alla possibilità che i loro risultati, pur non dimostrandole, non smentiscono le teorie alternative alla gravità newtoniana, le cosiddette MOND (Modified Newtonian Dynamics), secondo cui le curve di rotazione anomala osservate nelle galassie potrebbero avere una spiegazione che non fa ricorso alla DM ma al fatto ch,e su grandissime distanze, la gravitazione devia da quanto previsto dalla GR e anche dalla legge di Newton, che di essa è un'approssimazione: «La teoria MOND, che dopo più di trent'anni da quando è stata proposta non accenna a diminuire di popolarità, spiegherebbe in maniera naturale ciò che troviamo», conclude Cappellari.

 

Conclusioni...

 E' difficile trarre una conclusione da questi risultati recenti ma qualche considerazione è inevitabile. Il modello cosmologico standard si fonda ormai da tempo sull'esistenza postulata della cosiddetta "Cold Dark Matter" e negli ultimi decenni si sono accumulate molte prove a favore di questa ipotesi, tanto che ormai, nella comunità scientifica, in pochi mettono in dubbio la reale esistenza della DM. In aggiunta alle curve di rotazione piatta della Via Lattea e all'eccesso di dispersione di velocità negli ammassi di galassie (le due prove "classiche" da cui è partita l'ipotesi della DM), se ne sono poi aggiunte numerose altre, dalla dinamica delle galassie interagenti al "bullet cluster", fino alle suddette lenti gravitazionali e alle osservazioni di WMAP e Plank sulle disuniformità nel fondo di radiazione a micro-onde. 

 Tuttavia, i risultati sconcertanti ottenuti nei due lavori esposti in questo articolo rischiano di gettare un'ombra sull'intero concetto di DM come "Deus Ex Machina" degll'astrofisica, poichà spiega molti fenomeni osservati con qualcosa di ipotetico che non si può direttamente osservare. In effetti, tutti i tentativi fatti in questo senso nei laboratori di fisica sotterranea non sono ancora riusciti a dimostrare in maniera chiara l'esistenza e la reale natura delle ipotetiche particelle WIMP che costituirebbero la DM. Ci sono anche teorie alternative e più fantasiose, che fanno ricorso all'esistenza di "membrane" e "multiversi" che interagirebbero con il nostro dandoci queste false impressioni e poi ci sono le suddette teorie MOND sulla gravità alternativa. Insomma, il quadro è parecchio nebuloso e la "nuova fisica" auspicata da più parti stenta a decollare, in assenza di dati abbastanza certi.

 In ogni caso, personalmente ritengo che il lavoro di Crosta e colleghi sia meritorio di molta più attenzione, mentre sembra essere passato quasi inosservato da parte della comunità scientifica e dalle principali fonti di divulgazione scientifica. Questo fatto getta una inquietante ombra sulla "scomodità" di un simile lavoro che, da un lato, crea forse parecchio imbarazzo in buona parte della comunità di fisici, astronomi e astrofisici relativisti, ai quali sarebbe sfuggita l'importanza di una applicazione più rigorosa della GR alla rotazione galattica; dall'altro lato, mettere in dubbio una delle prove classiche e cardinali dell'esistenza DM getta un'ombra sulla credibilità sull'intera idea e questo potrebbe mettere a repentaglio il prestigio e la carriera di molti, compromettendo anche i grossi investimenti che si stanno facendo per cercare la materia oscura nei laboratori sulla Terra e nel cielo... Insomma, anche se la scienza dovrebbe essere al di sopra di simili calcoli opportunistici e gli scienziati dovrebbero attenersi sempre alla massima trasparenza ed onestà intellettuale, si tratta pur sempre di esseri umani, con tutti i loro limiti. Di sicuro, però, se la DM non esiste prima o poi la cosa diventerà evidente e l'ipotesi non sarà più difendibile davanti al crescente numero di evidenze osservative!

 

Riferimenti:

https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/496/2/2107/5850386?redirectedFrom=fulltext

https://www.media.inaf.it/2015/04/29/anche-le-galassie-ellittiche-girano-male/

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Read 120 times Ultima modifica Martedì, 08 Settembre 2020 08:32
Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

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