Esiste davvero la materia oscura?

Nel 2010, il fisico olandese Erik Verlinde ha proposto la teoria della gravità emergente, un modo nuovo per spiegare il moto delle galassie senza l'introduzione della materia oscura, quell'l'ipotetica componente della materia che non emetterebbe radiazione elettromagnetica. Ora, una recente ricerca, pubblicata su Astronomy & Astrophysics, spinge i limiti delle osservazioni alle regioni più esterne e sconosciute delle galassie e, così facendo, rivaluta diversi modelli sia per la materia oscura che per le teorie alternative della gravità.

Materia o gravità?

Finora, la materia oscura, come il nome stesso lascia intendere, non è mai stata osservata direttamente. Ma gli astronomi ne hanno dedotto la presenza registrando gli effetti della flessione della luce stellare, vedendo stelle che si muovono più velocemente del previsto e persino effetti sul movimento di intere galassie. Senza dubbio questi sono tutti fenomeni legati alla gravità ma la domanda è: stiamo davvero osservando una gravità aggiuntiva causata dalla materia oscura, o non abbiamo ben compreso le stesse leggi sulla gravità?

Per rispondere, la nuova ricerca adotta un metodo simile a quello utilizzato nel 2016 per testare la gravità emergente. Ma andiamo con ordine.

MOND e gravità emergente

Quando gli astronomi notarono che le stelle ai margini delle galassie e gli ammassi di galassie si muovono ad una velocità maggiore rispetto a quella prevista prendendo in considerazione solo la materia visibile ai telescopi, teorizzarono fin da subito l'esistenza di una massa invisibile, la cosiddetta materia oscura. Questa costituirebbe più di un quarto della massa e dell’energia dell’universo ma di fatto, non è mai stata rilevata direttamente. “Oggi le persone non fanno che ricorrere all’uso di parametri liberi per poter adattare i dati” sostiene Verlinde. “Alla fine ottieni una teoria con così tanti parametri liberi che è difficile confutarla”, aggiunge.

Per risolvere il dilemma della "massa mancante", gli scienziati hanno proposto teorie alternative fin dagli anni '80 del secolo scorso.
Ad esempio, il fisico israeliano Mordehai Milgrom presentò nel 1983 una teoria modificata della gravità Newtoniana chiamata MOND (MOdified Newtonian Dynamics).
Questa nasce per risolvere il problema delle curve di rotazione delle galassie a spirale. È infatti possibile misurare la velocità delle stelle e del gas che orbitano attorno ad una galassia spirale, fino a distanze molto grandi dal centro galattico, per mezzo di tecniche spettroscopiche (soprattutto nelle frequenze radio). La previsione teorica, basata sulle leggi di Keplero, fornisce un andamento della velocità decrescente con la distanza dal centro, nelle zone più periferiche dove la materia visibile scarseggia. I dati osservativi, invece, hanno un andamento diverso: la velocità tende ad essere costante a grande distanza dal centro galattico. La dinamica newtoniana, esistente da centinaia di anni, si basa su solidissime prove sperimentali ma molti parametri dei sistemi galattici, come masse, momenti angolari, distanze ed accelerazioni, possono assumere valori di vari ordini di grandezza diversi rispetto a quelli dei test in laboratorio o nel Sistema Solare. Pensare, quindi, ad un'alternativa per i sistemi più grandi di svariati ordini di grandezza, poteva costituire una soluzione al problema. In questo senso, la teoria di Milgrom, introduce nuove ipotesi per rimaneggiare la dinamica classica.

Verlinde, invece, si è chiesto se quella che noi chiamiamo gravità è una proprietà che emerge dalla struttura quantistica, collegata all'entropia.

In termodinamica, l'entropia rappresenta la misura del grado di equilibrio raggiunto da un sistema in un dato momento. Come tale, viene comunemente descritta come la misura del disordine del sistema stesso, opposta all'informazione in esso contenuta. Più un sistema è disordinato, maggiore è la sua entropia. In termini di informazione, la quantità di ordine (o disordine) presente in un sistema può essere assimilata alla lunghezza dell'algoritmo  necessario per descriverlo compiutamente. Di conseguenza, anche una regione di spazio può essere descritta da come gli oggetti sono distribuiti al suo interno ed ogni movimento cambia l'entropia di quel sistema. Quindi, così come la temperatura emerge dal moto di particelle microscopiche, anche la gravità può emergere dalla variazione dell’informazione contenuta in una regione dello spaziotempo. In questo senso, la gravità non è più intesa come una forza fondamentale della natura bensì una sorta di “fenomeno emergente”, come Verlinde stesso l'ha definita nel 2010 presentando la nuova teoria.

Il fisico olandese ha pubblicato poi nel 2016 un ulteriore approfondimento dimostrando come la sua teoria predica in maniera accurata la velocità orbitale delle stelle che si muovono attorno al centro della Via Lattea, così come il moto delle stelle in altre galassie, basandosi sulla sola massa associata alla materia barionica e l'energia oscura (quell'ipotetica forma di energia che starebbe causando l'espansione accelerata dell'Universo ed altre evidenze sperimentali).

Il nuovo studio

Una recente ricerca, pubblicata su Astronomy & Astrophysics, spinge i limiti delle osservazioni sulla materia oscura alle regioni esterne sconosciute delle galassie e, così facendo rivaluta diversi modelli di materia oscura e teorie alternative della gravità. Le misurazioni della gravità di 259.000 galassie isolate mostrano una relazione molto stretta tra i contributi della materia oscura e quelli della materia ordinaria, come previsto dalla teoria della gravità emergente di Verlinde e dal modello alternativo MOND. Tuttavia, i risultati sembrano anche concordare con una simulazione dell'Universo che presuppone che la materia oscura sia "roba reale".

Per snocciolare questa annosa questione, Margot Brouwer (Università di Groningen e Università di Amsterdam) e colleghi hanno catturato una serie continua di immagini per dieci anni, con il KiloDegree Survey (KiDS), sul VLT Survey Telescope dell'ESO in Cile. In queste osservazioni si misura come la luce stellare proveniente da galassie lontane viene piegata dalla gravità nel suo cammino verso i nostri telescopi. Mentre nel 2016 le misurazioni di tali "effetti lente" coprivano solo un'area di circa 180 gradi quadrati nel cielo notturno, ora la zona è stata estesa a circa 1000 gradi quadrati, il 2,5% della volta celeste, consentendo ai ricercatori di misurare la distribuzione della gravità in circa un milione di galassie diverse.

Test comparativi

Brouwer e colleghi hanno selezionato oltre 259.000 galassie isolate, per le quali sono stati in grado di misurare la cosiddetta Radial Acceleration Relation (RAR).
RAR confronta la quantità di gravità prevista in base alla materia visibile nella galassia, alla quantità di gravità effettivamente presente, in altre parole: il risultato mostra quanta gravità "extra" c'è, oltre a quella dovuta alla materia barionica.

Fino ad ora, la quantità di gravità extra era stata determinata solo nelle regioni esterne delle galassie osservando i moti delle stelle e in una regione circa cinque volte più grande misurando la velocità di rotazione del gas freddo. Utilizzando gli effetti lente gravitazionale, i ricercatori sono stati in grado di determinare il RAR di forze gravitazionali anche cento volte più piccole rispetto alle misurazioni precedenti. Ciò ha permesso loro di penetrare molto più in profondità nelle regioni esterne delle singole galassie.

Con tali dati è stato possibile misurare la gravità extra in modo estremamente preciso ma questa gravità è il risultato di materia oscura invisibile o dobbiamo migliorare la nostra comprensione della gravità stessa? L'autore Kyle Oman indica che l'ipotesi di "roba reale" almeno in parte sembra funzionare: "Nella nostra ricerca, confrontiamo le misurazioni con quattro diversi modelli teorici: due che presuppongono l'esistenza della materia oscura e costituiscono la base delle simulazioni al computer del nostro universo e due che modificano le leggi della gravità: il modello della gravità emergente di Erik Verlinde e la cosiddetta "Modified Newtonian Dynamics" o MOND. Una delle due simulazioni di materia oscura, MICE, fa previsioni che corrispondono molto bene alle nostre misurazioni. È stata una sorpresa per noi che l'altra simulazione, BAHAMAS, portasse a previsioni molto diverse. Che le previsioni dei due modelli differissero era già sorprendente, dal momento he sono molto simili. Inoltre, ci saremmo aspettati che se si fosse manifestata una differenza, BAHAMAS avrebbe dato il meglio di sé. BAHAMAS è un modello molto più dettagliato di MICE, avvicinandosi alla nostra attuale comprensione di come si formano le galassie in un universo con materia oscura. Tuttavia, MICE si comporta meglio se confrontiamo le sue previsioni con le nostre misurazioni. In futuro, sulla base dei nostri risultati, vogliamo indagare ulteriormente le cause delle differenze tra le simulazioni".

Una situazione di stallo

Quindi sembra che almeno un modello di materia oscura funzioni. Tuttavia, anche i modelli alternativi di gravità rispondono al RAR misurato. Quindi, come facciamo a scoprire quale modello è corretto?

Margot Brouwer, che ha guidato il team di ricerca, spiega nella press release: "Sulla base dei nostri test, la nostra conclusione originale era che i due modelli di gravità alternativi e il MICE corrispondessero abbastanza bene alle osservazioni. Tuttavia, la parte più eccitante doveva ancora venire: dato che avevamo accesso a oltre 259.000 galassie, potevamo dividerle in diversi tipi: galassie a spirale blu relativamente giovani rispetto a galassie ellittiche rosse relativamente vecchie". Le galassie ellittiche rosse si formano quando diverse galassie interagiscono, ad esempio quando due galassie a spirale blu passano l’una vicino all’altra o addirittura si scontrano. Di conseguenza, l’aspettativa all’interno della teoria delle particelle della materia oscura è che il rapporto tra materia regolare e materia oscura nei diversi tipi di galassie possa variare. Modelli come la teoria di Verlinde e MOND d'altra parte non fanno uso di particelle di materia oscura e, quindi, prevedono un rapporto fisso tra la gravità attesa e misurata nei due tipi di galassie, cioè indipendentemente dal tipo. Brouwer ha detto: "Abbiamo scoperto che i RAR per i due tipi di galassie differivano in modo significativo. Sarebbe un forte indizio sull'esistenza della materia oscura come particella".

Tuttavia, c'è un fattore da tenere in considerazione: il gas. Molte galassie sono probabilmente circondate da una nube diffusa di gas caldo, molto difficile da osservare. Se intorno alle giovani galassie a spirale blu non ci fosse quasi gas e al contrario, le vecchie galassie ellittiche rosse vivessero in una grande nuvola di gas, pari a circa la stessa massa delle stelle, allora ciò potrebbe spiegare la differenza nel RAR tra i due tipi. Per giungere ad un giudizio definitivo sulla differenza misurata, bisognerebbe quindi conoscere anche le quantità di gas diffuso e questo è esattamente ciò che non è possibile fare utilizzando i telescopi KiDS. Quindi, sono state fatte altre osservazioni su un gruppo ristretto di circa cento galassie e queste misurazioni hanno effettivamente trovato più gas attorno alle galassie ellittiche ma non è ancora chiaro quanto questo set di dati possa essere rappresentativo per le 259.000 galassie studiate nella ricerca attuale.

E il vincitore è.....

Se il gas in più non può spiegare la differenza tra i due tipi di galassie, allora i risultati sembrano propendere per le particelle di materia oscura piuttosto che per i modelli alternativi di gravità. Ma la questione non sarebbe comunque risolta. Sebbene le differenze misurate siano difficili da spiegare utilizzando MOND, Erik Verlinde vede ancora una via d'uscita per il suo modello: "Il mio modello attuale si applica solo alle galassie statiche, isolate e sferiche, quindi non ci si può aspettare di distinguere i diversi tipi di galassie. Considero questi risultati come una sfida e un'ispirazione per sviluppare una versione asimmetrica e dinamica della mia teoria, quali galassie con una forma e una storia diverse possono avere una quantità diversa di materia oscura apparente".

Pertanto, anche dopo le nuove misurazioni, la disputa tra materia oscura e teorie alternative della gravità non è ancora conclusa. Tuttavia, i nuovi risultati sono un importante passo avanti: se la differenza di gravità misurata tra i due tipi di galassie è corretta, allora il modello definitivo, qualunque esso sia, dovrà essere abbastanza preciso da spiegarla. Ciò significa, in particolare, che molti modelli esistenti potranno essere scartati, snellendo notevolmente il panorama delle possibili spiegazioni.