E se la materia oscura fosse semplicemente l'attrazione gravitazionale reciproca di tutto l'Universo?
Un'analisi approfondita di questa idea intrigante
La materia oscura è uno dei più grandi misteri della cosmologia e dell'astrofisica moderna. Le osservazioni, che includono le curve di rotazione delle galassie, il lensing gravitazionale e la formazione della struttura su larga scala, indicano che nell'Universo esiste una forma di materia che non interagisce con la luce – da qui il nome "oscura". Basandosi sulla concezione della gravità di Newton e Einstein, la materia visibile, "ordinaria" (protoni, neutroni, elettroni) costituisce solo circa il 5% del bilancio totale di energia e materia dell'Universo, mentre la materia oscura circa il 27% (il resto è energia oscura).
Ma cosa succede se questa massa mancante non esiste affatto? Forse è solo un effetto della reciproca attrazione gravitazionale dell'Universo: piccoli contributi gravitazionali di tutte le stelle, pianeti e particelle di gas che, sommati, creano fenomeni che interpretiamo come "materia oscura". È un'idea intrigante: potremmo rinunciare al concetto di materia oscura come componente separato e spiegare tutto semplicemente con l'effetto gravitazionale complessivo della materia visibile su larga scala?
In questo articolo esamineremo in dettaglio questa idea – passeremo in rassegna le prove dell'esistenza della materia oscura, i tentativi scientifici di spiegare questo fenomeno e perché l'idea che "sia solo gravità di tutto ciò che esiste" è allo stesso tempo attraente e, purtroppo, insufficiente alla luce dei dati osservativi dettagliati.
1. Prove dell'esistenza della materia oscura
1.1 Curve di rotazione delle galassie
Una delle prime prove evidenti dell'esistenza della materia oscura sono le misurazioni della velocità delle orbite delle stelle ai margini delle galassie. Secondo la meccanica di Newton, la velocità orbitale delle stelle ai bordi della galassia dovrebbe diminuire con l'aumentare della distanza dal centro – simile a come la velocità dei pianeti nel nostro sistema solare diminuisce allontanandosi dal Sole.
Tuttavia, gli astronomi hanno osservato che le stelle nelle regioni più esterne delle galassie a spirale si muovono molto più velocemente di quanto previsto dai calcoli convenzionali. Questo fenomeno, chiamato "curve di rotazione piatte", indica che esiste molta più massa di quella che possiamo determinare dalla radiazione elettromagnetica (luce a varie lunghezze d'onda). Se nella galassia esistesse solo la materia visibile (stelle, gas, polveri), le orbite delle stelle più lontane dovrebbero essere più lente. La spiegazione più semplice è che esiste uno strato aggiuntivo di massa invisibile, cioè la materia oscura.
1.2 Lente gravitazionale
La lente gravitazionale è la capacità di oggetti massicci di piegare la luce, come descritto dalla teoria della relatività generale di Einstein. Osservando gli ammassi di galassie, si vede che il loro effetto sull'immagine di galassie più distanti (lente) è molto più forte di quanto si possa spiegare solo con la materia visibile. Per spiegare questo effetto è necessaria massa aggiuntiva – ancora una volta indicata come materia oscura.
Un famoso esempio è la cosiddetta collisione del Bullet Cluster, in cui due ammassi di galassie sono passati l'uno attraverso l'altro. I gas caldi (visibili nella banda dei raggi X) sono stati rallentati dalle interazioni, mentre l'influenza gravitazionale più forte si è spostata oltre. Questo suggerisce che una parte della massa interagisce quasi per nulla elettromagneticamente (cioè non si scontra come i gas ordinari), ma ha un impatto gravitazionale significativo.
1.3 Osservazioni cosmologiche e formazione delle strutture
Osservando la radiazione cosmica di fondo a microonde (in inglese Cosmic Microwave Background, CMB) – il "riflesso" del Big Bang, gli scienziati osservano irregolarità di densità. Sono proprio queste irregolarità che nel tempo sono cresciute fino a formare le galassie e gli ammassi che vediamo oggi. Le simulazioni al computer della formazione della struttura dell'Universo mostrano che senza la materia oscura lo sviluppo di questi "semi" di densità fino alle dimensioni attuali sarebbe estremamente difficile da spiegare o addirittura impossibile. Senza la materia oscura, la formazione di una struttura di materia molto irregolare (galassie, ammassi di galassie) dall'Universo primordiale quasi omogeneo sarebbe troppo lenta.
2. Idea proposta: attrazione comune di tutta la materia
L'idea che "forse la materia oscura è semplicemente l'attrazione gravitazionale reciproca di tutto ciò che esiste" appare attraente a prima vista. Dopotutto, la gravità agisce a distanze illimitate; per quanto due oggetti nell'Universo possano essere lontani, si attraggono comunque. Se immaginassimo un numero incalcolabile di stelle e galassie, forse il loro effetto gravitazionale complessivo potrebbe spiegare quella massa aggiuntiva.
2.1 Attrattiva intuitiva
1. Spiegazione unificata della gravità: In parte sembra un'idea unificante. Invece di introdurre un nuovo tipo di materia, potremmo affermare che stiamo osservando solo l'effetto collettivo della materia conosciuta.
2. Semplicità: Per molti è attraente pensare che esista solo la materia barionica (ordinaria) e nient'altro. Forse finora non abbiamo semplicemente valutato appieno la gravità complessiva di tutta questa materia, specialmente su larga scala.
Tuttavia questa ipotesi si scontra con sfide serie quando applicata a dati osservativi precisi e a teorie fisiche ben verificate. Vediamo dove emergono i problemi.
3. Perché la sola gravitazione tra la materia conosciuta non è sufficiente
3.1 La gravità ordinaria contro quella modificata
I tentativi di spiegare i fenomeni cosmici senza materia oscura spesso rientrano nell'ambito delle teorie della "gravità modificata". Invece di introdurre un nuovo tipo di materia, si propone di correggere le leggi della gravità su scala cosmica. Uno degli esempi più noti è MOND (Modified Newtonian Dynamics). MOND sostiene che in regioni di accelerazioni molto basse (come ai margini delle galassie) la gravità agisca in modo diverso rispetto a quanto previsto da Newton o Einstein.
Se la gravitazione totale di tutta la materia dell'Universo fosse la forza che erroneamente chiamiamo materia oscura, essa dovrebbe fondamentalmente agire come una versione modificata della gravità. I sostenitori di MOND e teorie simili cercano di spiegare le curve di rotazione delle galassie e altri fenomeni. Tuttavia MOND, pur potendo adattarsi ad alcune osservazioni (ad esempio le curve di rotazione delle galassie), è in difficoltà con altri dati (come quelli del lensing gravitazionale del Bullet Cluster).
Pertanto, qualsiasi teoria che affermi che la "materia oscura" sia dovuta unicamente alla gravitazione ordinaria della materia normale dovrebbe spiegare con successo non solo le curve di rotazione delle galassie, ma anche il lensing, le collisioni degli ammassi e la formazione delle grandi strutture. Finora nessuna teoria alternativa ha sostituito completamente l'ipotesi della materia oscura in modo da corrispondere a tutte le osservazioni.
3.2 La legge dell'inverso del quadrato e le scale cosmiche
La forza di gravità diminuisce con il quadrato della distanza (secondo la legge di gravitazione universale di Newton). Su scala cosmica esiste una reale, seppur debole, attrazione tra galassie lontane, ammassi e filamenti, ma questa forza diminuisce rapidamente con la distanza. I dati osservativi mostrano che la sola materia visibile (barionica) non è sufficiente e non è distribuita in modo da creare gli effetti gravitazionali attribuiti alla materia oscura.
Se provassimo a sommare tutta la materia visibile dell'Universo e calcolassimo il suo effetto gravitazionale su varie scale cosmiche, risulterebbe che non possiamo comunque riprodurre le curve di rotazione reali delle galassie, gli effetti di lensing o la velocità di formazione delle strutture. In parole semplici, in un Universo composto solo da materia barionica, la forza gravitazionale sarebbe troppo debole per spiegare l'effetto osservato.
3.3 Bullet Cluster e la distribuzione della massa "mancante"
Bullet Cluster è un esempio particolarmente evidente. Quando due ammassi di galassie si scontrano, la materia ordinaria (principalmente gas caldo) viene rallentata dall'interazione, mentre un'altra parte della massa, quasi non interagente (si ritiene sia materia oscura), attraversa con successo la collisione senza rallentare. I dati del lensing gravitazionale mostrano che la maggior parte della massa "si è spostata" più lontano, rimanendo indietro rispetto al gas luminoso.
Se spiegassimo la massa mancante semplicemente con tutta la materia dell'Universo, ci si aspetterebbe che la distribuzione della massa corrisponda maggiormente alla materia visibile (principalmente gas rallentato). Tuttavia, il divario osservato tra il gas visibile e la massa gravitazionalmente attiva indica l'esistenza di materia aggiuntiva che non interagisce elettromagneticamente – la materia oscura.
4. "Gravità di tutta la materia" e cosmologia
4.1 Vincoli della nucleosintesi del Big Bang
Nell'Universo primordiale si formarono gli elementi chimici più leggeri – idrogeno, elio e un po' di litio. Questo processo è chiamato nucleosintesi del Big Bang (in inglese Big Bang Nucleosynthesis, BBN). L'abbondanza degli elementi leggeri dipende sensibilmente dalla densità totale della materia barionica (ordinaria). Osservando la radiazione cosmica di fondo a microonde e studiando i rapporti di questi elementi, si vede che nell'Universo non può esserci troppa materia barionica – altrimenti si contraddirebbero le quantità osservate di elio o deuterio. In breve, la BBN mostra che la materia ordinaria costituisce circa il 5% del bilancio energetico e di materia dell'Universo.
4.2 Misurazioni della radiazione cosmica di fondo a microonde
Dati ad alta risoluzione ottenuti da satelliti come COBE, WMAP e Planck hanno permesso ai cosmologi di misurare con estrema precisione le fluttuazioni di temperatura della CMB. La natura di queste fluttuazioni, in particolare il loro spettro di potenza angolare, consente di stimare la densità delle varie componenti (materia oscura, energia oscura e materia barionica). Queste misurazioni coincidono molto bene con il modello cosmologico in cui la materia oscura è una componente separata e non barionica. Se l'effetto gravitazionale attualmente attribuito alla materia oscura fosse solo l'attrazione della materia visibile, lo spettro di potenza della CMB apparirebbe completamente diverso.
5. Esiste un altro modo per dire che la materia oscura è semplicemente "gravità"?
L'idea "e se la materia oscura fosse in realtà solo un'imperfezione nelle leggi della gravità?" ha portato a varie teorie della gravità modificata. Queste propongono di correggere la teoria generale della relatività di Einstein o la dinamica di Newton su scala galattica e più ampia, talvolta offrendo basi matematiche piuttosto complesse. Tali teorie cercano di spiegare le curve di rotazione delle galassie e il lensing degli ammassi senza particelle aggiuntive invisibili.
Principali sfide per le teorie della gravità modificata:
- Adattamento: È necessario correggere la gravità su scala galattica, ma allo stesso tempo rimanere coerenti con le osservazioni del sistema solare e con la teoria generale della relatività, che è stata confermata con grande precisione da numerosi esperimenti.
- Formazione della struttura: Le teorie devono spiegare non solo le curve di rotazione delle galassie, ma anche la formazione delle strutture dell'Universo dai tempi antichi fino ad oggi, in accordo con le osservazioni in diverse epoche.
- Effetti relativistici: Modificando la legge di gravità, è necessario non contraddire fenomeni come la lente gravitazionale o i dati del Bullet Cluster.
Sebbene il modello standard attuale della cosmologia, la "Lambda Cold Dark Matter" (in inglese ΛCDM), che include materia oscura ed energia oscura (Λ), presenti alcune limitazioni, finora nessuna teoria di gravità modificata è riuscita a spiegare con altrettanto successo tutte le osservazioni come ΛCDM.
6. Conclusione
L'idea che la materia oscura possa essere semplicemente l'attrazione gravitazionale reciproca di tutta la materia dell'Universo è interessante. Essa coincide con la ricerca di una spiegazione più semplice che non richieda il concetto di nuova materia invisibile. In sostanza, risuona con il vecchio principio scientifico e filosofico che con il Rasoio di Occam si dovrebbero eliminare le ipotesi non necessarie.
Tuttavia, decenni di osservazioni astronomiche e cosmologiche mostrano che la sola quantità di materia conosciuta non spiega il problema della "massa mancante". Curve di rotazione delle galassie, dati di lente gravitazionale, tassi di formazione della struttura su larga scala, misurazioni della radiazione cosmica di fondo e vincoli dalla nucleosintesi del Big Bang – tutti suggeriscono l'esistenza di un tipo di materia oltre e aggiuntiva rispetto alla materia ordinaria a cui siamo abituati. Inoltre, il Bullet Cluster e osservazioni simili indicano che la massa invisibile si comporta diversamente dalla materia ordinaria (ad esempio, partecipando poco ad altre interazioni non gravitazionali).
La cosmologia è comunque un campo scientifico in continua evoluzione. Nuove osservazioni – dalle onde gravitazionali a mappe più precise della distribuzione delle galassie e a un'analisi migliore della CMB – migliorano costantemente la nostra comprensione. Finora, la maggior parte dei dati osservativi indica che la materia oscura esiste davvero come una forma distinta di materia non barionica. Tuttavia, un pensiero aperto e attenzione ai dati inattesi rimangono fondamentali – la scienza avanza quando le ipotesi vengono testate e modificate se non corrispondono ai nuovi fatti.
Attualmente le osservazioni supportano maggiormente l'idea che la materia oscura sia un componente reale e fisico. Tuttavia, chiedersi "e se esistesse un'alternativa?" significa mantenere vivo lo spirito di curiosità scientifica, particolarmente necessario per comprendere i misteri dell'Universo.
Letture consigliate
- Materia Oscura nell'Universo – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Il Bullet Cluster come Prova Contro la Gravità Modificata – pubblicazioni di osservazioni di molti autori, ad esempio Clowe et al.
- Test delle Previsioni MOND – vari studi sulle curve di rotazione delle galassie (ad esempio, i lavori di Stacy McGaugh e collaboratori).
- Osservazioni dei Parametri Cosmologici – dati delle missioni Planck, WMAP, COBE.