E se la materia oscura non esistesse? – Parte seconda: Gravità modificate.

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Materia oscura.
Si ipotizza da tempo che certe particelle invisibili di «materia oscura» debbano affiancare la materia ordinaria nell’universo per spiegare l’orbita delle stelle nelle galassie e il modo in cui le galassie orbitano negli ammassi.

Da molti decenni l’ipotesi più diffusa è che la materia oscura sia composta da nuove particelle mai rilevate finora, che non interagiscono con la luce.

Trent’anni fa questa posizione era giustificata. L’idea di una materia oscura fatta di particelle faceva presa perché a quell’epoca i fisici avevano altre ragioni per credere nell’esistenza di nuove particelle.

Intorno agli anni cinquanta e sessanta infatti ci si era resi conto che protoni, neutroni ed elettroni che compongono gli atomi non sono le uniche particelle esistenti. Nei decenni successivi gli acceleratori di particelle iniziarono a produrre a tutto spiano nuove particelle, che diedero forma al modello standard della fisica delle particelle e aprirono la mente dei teorici al fatto che ne esistessero ancora altre.

Alcune di queste particelle teorizzate sarebbero state buoni candidati per la materia oscura. Un’altra particella sospettata per questo ruolo era l’assione, inventato per spiegare il valore molto piccolo di un parametro del modello standard.

Fallimento della ricerca della materia oscura.
Ma numerosi esperimenti non sono riusciti a trovare prove delle particelle di materia oscura. Nel frattempo l’idea che la materia oscura sia costituita da particelle ha ricevuto una spallata anche da una direzione completamente diversa. Nuovi dati astrofisici registrati e analizzati sono in conflitto con le previsioni sulla materia oscura composta da particelle, ed è sempre più chiaro che alcuni vecchi problemi del paradigma della materia oscura sopravvivono anche dopo i numerosi tentativi di risolverli.

Dopo trent’anni di tentativi falliti di rilevare la materia oscura, non è più ragionevole ignorare ipotesi alternative.
Ultimamente, in effetti, alcune prove astrofisiche, come recenti osservazioni sulla gravità nelle galassie, favoriscono le teorie della gravità modificata rispetto alla materia oscura. I fisici devono abbandonare i pregiudizi e riesaminare questa idea trascurata.

Gravità modificata (Mond).
Anziché aggiungere particelle all’universo per giustificare la gravità addizionale che sembra esistere nelle galassie e negli ammassi, possiamo invece attenerci alle particelle conosciute ma aumentare la forza che esercitano l’una sull’altra.

Per esempio aggiornare le equazioni della gravità è ancora una direzione valida in cui procedere.
Se la materia oscura non esiste, è possibile modificare le leggi della gravità per spiegare le velocità delle stelle ai margini delle galassie. Le teorie della gravità modificata rivedono le equazioni della relatività generale di Einstein in modo da spiegare quello che osserviamo. Invece di un alone di materia oscura invisibile che circonda le galassie, esistono solo gli oggetti visibili.
L’ipotesi principale utilizzata dagli scienziati come alternativa alla materia oscura si basa sull’idea che la legge di gravità, proposta da Isaac Newton più di 300 anni fa e affinata da Albert Einstein con la relatività generale, necessiti una revisione e modifica. Le cosiddette teorie di gravita modificata sono decine.

Nel caso particolare della Mond, la forza di gravità funziona in modo diverso in diverse zone della galassia, essendo più intensa di quanto previsto da Newton e Einstein nelle regioni dove la gravità sarebbe, in linea di principio, molto debole.

Proposta originariamente dal fisico israeliano Mordehai Milgrom nel 1983, la gravità modificata cambia le regole matematiche che descrivono come la forza di gravità deriva dalla massa.

Nella maggior parte dei casi (cioè in situazioni non estreme in cui la gravità newtoniana è una buona approssimazione), descriviamo questa forza con la legge dell’inverso del quadrato: la forza di gravità tra due oggetti dipende dalle loro masse e diminuisce con l’inverso del quadrato della distanza tra loro.

Questa legge è ormai classica e appare ovunque in fisica, dalle equazioni che descrivono come l’intensità della luce diminuisce con la distanza alle regole che descrivono la pressione acustica.

La prima proposta di Milgrom – la dinamica newtoniana modificata (MOND) – si applicava solo alle leggi di gravità newtoniane, ma la teoria generale della relatività di Albert Einstein ci ha insegnato che la gravità è dovuta alla curvatura dello spazio e del tempo. Questa limitazione della MOND originaria è stata probabilmente il motivo principale per cui molti fisici non l’hanno presa sul serio.
Adesso però si conoscono diversi modi per rendere la MOND compatibile con la relatività generale, ognuno dei quali usa vari tipi di campi che si comportano in modo leggermente di verso per descrivere come l’attrazione gravitazionale deriva dalla massa.

E’ questa decina di teorie più complete che chiamiamo collettivamente gravità modificata Ignorarle per motivi puramente teorici non è più giustificabile. Un’altra obiezione alla gravità modificata è che la sua espressione matematica appare poco elegante dal punto di vista della fisica delle particelle. Non solo non ha un aspetto familiare, ma è anche più difficile da gestire rispetto alla materia oscura composta da particelle, che impiega tecniche che fanno parte del repertorio matematico di tutti. Sebbene questi fattori contribuiscano a spiegare l’impopolarità dell’idea, non sono motivi scientifici per scartarla.

Nonostante le potenzialità della gravità modificata, tuttavia, in questo ambito gli scienziati hanno investito quasi tutte le energie nella ricerca della materia oscura. Dalla metà degli anni ottanta decine di progetti hanno cercato le rare interazioni previste tra particelle di materia oscura e materia ordinaria.

Le teorie sulla materia oscura particellare sono diventate sempre più sofisticate, per non dire forzate. Per eludere il conflitto con l’assenza di risultati sperimentali, i teorici ora ipotizzano che queste particelle interagiscano con la materia ordinaria ancora meno di quanto si pensasse inizialmente. Alcuni ricercatori hanno iniziato a ipotizzare ulteriori forze e altre specie di particelle da aggiungere alle nuove particelle originali. Questa proliferazione di particelle invisibili è diventata così comune nella letteratura che le è stato dato un nome collettivo: il “settore nascosto”.

Teorie a confronto
In assenza di segni di nuove particelle, dobbiamo chiederci quanto bene le due teorie, della materia oscura e della gravità modificata, spieghino le prove che ci vengono dalla natura.
Nel complesso l’ipotesi che l’universo contenga circa cinque volte più materia oscura che materia normale funziona bene per spiegare il cosmo che ci circonda.

Ma questa flessibilità della materia oscura particellare è anche la sua principale debolezza. Le galassie non sono particelle, e non ce ne sono due uguali.
A volte la materia oscura cattura con la sua attrazione gravitazionale molta materia ordinaria, altre volte no. A causa di queste numerose variazioni, ci si aspetterebbe un rapporto diverso da una galassia all’altra tra materia oscura e materia ordinaria.

La gravità modificata prevede invece questa correlazione: poiché nel suo scenario è contemplato un solo tipo di materia – la materia ordinaria – è ovvio che la gravità totale segue da vicino la gravità provocata dalla materia visibile.
Ma, dopo molte altre generazioni di osservazioni ottenute da gruppi diversi, la conclusione rimaneva la stessa: la materia oscura non spiega bene quello che vediamo al centro delle galassie.

La gravità modificata ha anche un altro vantaggio. A differenza delle simulazioni con la materia oscura, può spiegare come si comportano le galassie piccole intrappolate nel campo gravitazionale di galassie più grandi.
Nonostante questi numerosi successi nelle previsioni, la gravità modificata ha seri problemi. Sebbene funzioni su una vasta gamma di tipi diversi di galassie, non è in grado di spiegare molto bene il movimento degli ammassi di galassie.

Conclusione
Gli schieramenti degli scienziati si dividono in quelli che confidano ancora nella scoperta di una nuova materia attraverso gli acceleratori e chi sostiene che quella strada non è più percorribile.

Gli uni.
Probabilmente la materia oscura è molto diversa da ciò che immaginiamo oggi, ma sicuramente Mond non è la soluzione al problema della discrepanza tra massa barionica (osservata) e massa dinamica.

Gli altri.
Scartare la gravità modificata perché non affronta queste situazioni, però, sarebbe un errore.
È una teoria che ha formulato previsioni molto riuscite; anche se non capiamo perché, ignorarla non sarebbe d’aiuto alla comprensione di questo fenomeno.

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(Le Scienze. Numero 604 dicembre 2018)

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Ingegnere. Io sono responsabile di quello che dico, non di quello che capisci tu. (Massimo Troisi)
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