Materia oscura o gravità modificata?

Cari ragazzi è facile rimanere affascinati e, al tempo stesso, letteralmente spiazzati dall'immensità del nostro Universo. Eppure, ne conosciamo appena il 5 %, il 23 % è materia oscura e il restante 72 % è energia oscura. Questo è, però, anche il motivo per cui tutto sembra ancora più intrigante.
Gli scienziati sanno che il 5 % del nostro Universo è composto da materia ordinaria, quella formata da elettroni, neutroni e protoni. Il resto è ancora da scoprire! In particolare quel 23 % di materia oscura sta generando non poche discussioni tra i fisici e la ricerca in questo settore è più che mai viva. Il "problema" della materia oscura esiste da quando l'astronomo svizzero Fritz Zwicky negli anni trenta del secolo scorso ipotizzò l'esistenza di un nuovo tipo di materia per spiegare il movimento troppo veloce di alcune galassie intorno al loro comune centro di massa. Negli anni settanta, Vera Rubin osservò che le stelle alla periferia di alcune galassie si muovevano alla stessa velocità di quelle più vicine al centro. L'attrazione gravitazionale dovrebbe essere inferiore nelle zone periferiche delle galassie. Per questo ci si aspettava un movimento più lento delle stelle più distanti dal centro galattico. In entrambi i casi per spiegare effetti gravitazionali "imprevisti" è stata ipotizzata la presenza di una materia non "luminosa". Questa materia sarebbe composta da particelle non visibili perché non interagirebbero con la luce. A partire da questa prima ipotesi, molti effetti gravitazionali nell'Universo sono stati spiegati con la presenza della materia oscura, in tutti i casi in cui non c'è nelle vicinanze abbastanza materia ordinaria da giustificare la forza gravitazionale osservata. L'enigma è così intrigante che la ricerca sulla natura della materia oscura è diventata una delle sfide della moderna astronomia. La sfida in questione, però, è ancora aperta (leggi anche Materia oscura sempre più oscura).

(Immagine ripresa da Scientific American)

Molti esperimenti sono stati realizzati per cercare queste particelle "esotiche" che dovrebbero costituire la materia oscura, ma i risultati non sono arrivati. Così gli esperimenti LUX (Large Underground Xenon), PandaX-II (Particle and Astrophysical Xenon Detector), XENON (XENON dark matter research project) non hanno portato alla scoperta di "particelle" di materia oscura come si sperava. Anche al CERN di Ginevra la ricerca di nuove particelle che possano spiegare la natura della materia oscura non ha dato, fino ad ora, alcun risultato.
Esiste, però, un'altra ipotesi. Alcuni fisici pensano che gli effetti gravitazionali attribuiti alla materia oscura siano spiegabili anche modificando le equazioni della relatività generale di Einstein, la teoria che spiega la gravità. La teoria della gravità modificata è stata proposta nel 1983 da Mordehai Milgrom, che propose di modificare la relazione di Newton, secondo la quale la forza di gravità tra due corpi varia con il quadrato della distanza tra di essi, quando ci si trova in particolari "condizioni". Per esempio, queste particolari condizioni possono essere quelle che si verificano alla periferia di una galassia. La gravità modificata, come teoria per spiegare alcuni effetti gravitazionali attribuiti alla materia oscura, non ha avuto molto successo. In alcuni casi, tuttavia, le sue previsioni sono risultate in accordo con i dati sperimentali. È il caso di uno studio pubblicato nel 2016 da Stacy McGaugh. In questo studio sono stati esaminati i movimenti delle stelle nelle galassie. Mettendo in relazione la gravità totale presente con quella spiegata dalla materia visibile si è concluso che queste due grandezze sono direttamente proporzionali. Una proporzionalità di questo tipo sarebbe inaspettata se esistesse la materia oscura, ma è del tutto plausibile nelle teorie della gravità modificata. Infatti, in queste ultime la gravità totale dipende solo e soltanto dalla materia visibile presente.
Ci sono poi le galassie a bassa luminosità. Sono galassie con minore massa rispetto, per esempio, alla Via Lattea. Si pensava che queste galassie con poca massa visibile avessero anche poca materia oscura. Le misurazioni della velocità delle stelle in galassie a bassa luminosità hanno, però, evidenziato che non esiste una differenza significativa con il movimento delle stelle in altre galassie con maggiore quantità di massa visibile. Allora i fisici hanno ipotizzato che più il sistema è fioco (cioè contiene poca massa visibile), maggiore è la quantità di materia oscura, che, quindi, sarebbe responsabile degli effetti gravitazionali delle galassie a bassa luminosità. Questa situazione sarebbe spiegabile mediante il cosiddetto feedback stellare, secondo cui l'esplosione di una supernova allontana la materia visibile più di quanto non allontani quella oscura, che interagisce molto debolmente. Le galassie con molte supernove avrebbero una maggiore quantità di materia oscura, spiegando così la relazione inversa tra i due tipi di massa. Le teorie della relatività modificata spiegano, invece, la velocità delle stelle nelle galassie fioche senza far ricorso al feedback stellare.

Mappa 3D della distribuzione su larga scala della materia oscura,
ricostruita dalle misurazioni gravitazionali ottenute dal telescopio spaziale Hubble.
(Immagine ripresa da Wikipedia)

Le teorie della gravità modificata non mancano certo di problemi. È di giugno del 2018 un articolo che dimostra come il movimento delle galassie sia in accordo con la teoria della materia oscura e non compatibile con quello della gravità modificata. Inoltre l'ipotesi di una materia oscura particellare descrive meglio la distribuzione delle galassie nel cosmo e il comportamento del cosmo nel suo complesso.
Forse ci vuole un po' di materia oscura e un po' di gravità modificata per spiegare il tutto? Nel 2015 il gruppo di Justin Khoury, un astrofisico dell'Università della Pennsylvania, ha scoperto che in alcuni casi la materia oscura può diventare superfluida. I superfluidi scorrono senza resistenza e nel loro comportamento sono evidenti fenomeni quantistici. Ciò che ci interessa sapere è che quando la materia oscura superfluida forma galassie, genera una forza a lungo raggio che somiglia alla gravità modificata. Questo superfluido eserciterebbe un campo gravitazionale interagendo con la materia ordinaria. L'ipotesi della materia oscura come superfluido sembra spiegare anche perché in certi casi la gravità modificata non funziona.
Chiarire l'enigma della materia oscura è sicuramente una delle priorità della fisica moderna. Molti esperimenti in corso potrebbero fornire preziose informazioni a favore dell'una o dell'altra ipotesi o di entrambe... Chissà. Oppure serviranno idee nuove e rivoluzionarie per spiegare una gravità sfuggente.

Referenze

Hossenfelder and McGaugh (2018) La fine della materia oscura? Le Scienze, 604: 28-35.

Sabine Hossenfelder

Stacy McGaugh

Rodrigues et al. (2018) Absence of a fundamental acceleration scale in galaxies, Nature Astronomy, volume 2, pages: 668-672.

Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)