Don Lincoln è uno scienziato senior presso il Fermilab del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, il più grande istituto di ricerca americano Large Hadron Collider. Scrive anche di scienza per il pubblico, incluso il suo recente "The Large Hadron Collider: The Straordinaria Storia del Bosone di Higgs e altre cose che ti lasceranno a bocca aperta" (Johns Hopkins University Press, 2014). Puoi seguirlo su Facebook. Lincoln ha contribuito con questo articolo alle voci di esperti di Live Science: Op-Ed & Insights.
Molte persone esperte nella scienza danno per scontato che l'universo sia composto non solo dai "miliardi e miliardi" di galassie spesso citati da Carl Sagan, ma anche da una grande quantità di una sostanza invisibile chiamata materia oscura. Si pensa che questa strana materia sia un nuovo tipo di particella subatomica che non interagisce tramite l'elettromagnetismo, né le forze nucleari forti e deboli. Si suppone inoltre che la materia oscura sia cinque volte più diffusa nell'universo rispetto alla materia ordinaria degli atomi.
Tuttavia, la realtà è che l'esistenza della materia oscura non è stata ancora dimostrata. La materia oscura è ancora un'ipotesi, sebbene piuttosto supportata. Qualsiasi teoria scientifica deve fare previsioni e, se è giusto, allora le misurazioni che fai dovrebbero allinearle alle previsioni. Lo stesso vale per la materia oscura. Ad esempio, le teorie della materia oscura fanno previsioni su quanto velocemente ruotano le galassie. Ma, fino ad ora, le misurazioni effettuate sulla distribuzione dettagliata della materia oscura al centro delle galassie a bassa massa non erano in linea con queste previsioni.
Un recente calcolo l'ha cambiato. Il calcolo aiuta a risolvere l'enigma della relazione Tully-Fisher, che confronta la materia visibile o ordinaria di una galassia con la sua velocità di rotazione. In termini molto semplificati, gli scienziati hanno scoperto che più è grande (e quindi più luminosa) una galassia a spirale, più velocemente gira.
Ma se esiste la materia oscura, quanto "grande" sia una galassia dovrebbe essere determinata non solo dalla sua materia visibile, ma anche dalla sua materia oscura. Con un enorme pezzo dell'equazione - la quantità di materia oscura - mancante, la relazione Tully-Fisher non dovrebbe reggere. Eppure lo fa. Era difficile immaginare un modo per conciliare questa relazione con la teoria della materia oscura esistente. Fino ad ora.
Origini della materia oscura
Le prime ipotesi che potrebbe esserci la necessità di qualcosa come la materia oscura risalgono al 1932. L'astronomo olandese Jan Oort misurò le velocità orbitali delle stelle all'interno della Via Lattea e scoprì che si muovevano troppo rapidamente per essere spiegate dalla massa osservata della galassia.
Le stelle orbitano attorno alla loro galassia madre in percorsi quasi circolari e la gravità è la forza che trattiene le stelle in quelle orbite. Le equazioni di Newton prevedono che la forza che fa muovere le stelle in un percorso circolare, F (circolare), dovrebbe essere uguale alla forza dovuta alla gravità sulla stella, F (gravità), altrimenti la stella volerebbe nello spazio o cadrà il centro della galassia. Per coloro che ricordano la fisica delle superiori, F (circolare) è una dichiarazione d'inerzia ed è solo F = ma di Newton. F (gravità) è la legge di gravitazione universale di Newton.
Vicino al centro delle galassie, Rubin e Ford hanno scoperto che F (circolare) era approssimativamente uguale a F (gravità), come previsto. Ma lontano dal centro delle galassie, i due lati dell'equazione non combaciavano molto bene. Mentre i dettagli variavano da galassia a galassia, le loro osservazioni erano essenzialmente universali.
Una discrepanza così drammatica ha bisogno di spiegazioni. Vicino al centro delle galassie, le misurazioni di Rubin e Ford significarono che la teoria stava funzionando, mentre la discrepanza a distanze orbitali più grandi significava che qualcosa stava succedendo e che le teorie esistenti non potevano spiegare. Le loro intuizioni hanno rivelato che o non capiamo come funziona l'inerzia (ad esempio, F (circolare)), o non capiamo come funziona la gravità (ad esempio, F (gravità)). Una terza possibilità è che il segno di uguale sia sbagliato, il che significa che c'è qualche altra forza o effetto che l'equazione non include. Quelle erano le uniche possibilità.
Spiegare le discrepanze
Nei 40 anni trascorsi dall'opera originale di Rubin e Ford, gli scienziati hanno testato molte teorie per cercare di spiegare le discrepanze di rotazione galattica che hanno riscontrato. Il fisico Mordehai Milgrom propose una modifica dell'inerzia, chiamata "dinamica newtoniana modificata", o MOND. Nella sua forma iniziale, ha postulato che a bassissime accelerazioni, l'equazione di Newton F = ma non ha funzionato.
Altri fisici hanno suggerito modifiche delle leggi di gravità. La relatività generale di Einstein non aiuta qui perché, in questo regno, le previsioni di Einstein e Newton sono essenzialmente identiche. E le teorie della gravità quantistica, che tentano di descrivere la gravità usando particelle subatomiche, non possono essere la spiegazione per lo stesso motivo. Tuttavia, ci sono teorie gravitazionali che fanno previsioni su scale galattiche o extragalattiche che differiscono dalla gravità newtoniana. Quindi, quelle sono opzioni.
Quindi ci sono previsioni sull'esistenza di nuove forze. Queste idee sono raggruppate sotto il nome di "quinta forza", che implica una forza oltre la gravità, l'elettromagnetismo e le forze nucleari forti e deboli.
Infine, c'è la teoria della materia oscura: che un tipo di materia che non interagisce affatto con la luce, ma esercita un'attrazione gravitazionale, permea l'universo.
Se le misure di rotazione galattica fossero gli unici dati in nostro possesso, potrebbe essere difficile scegliere tra queste diverse teorie. Dopotutto, potrebbe essere possibile modificare ogni teoria per risolvere il problema della rotazione galattica. Ma ora ci sono molte osservazioni su molti fenomeni diversi che possono aiutare a identificare la teoria più plausibile.
Uno è la velocità delle galassie all'interno di grandi gruppi di galassie. Le galassie si muovono troppo rapidamente perché i cluster rimangano legati. Un'altra osservazione è della luce proveniente da galassie molto distanti. Le osservazioni di queste antichissime galassie molto distanti mostrano che la loro luce viene distorta passando attraverso i campi gravitazionali di ammassi di galassie più vicini. Ci sono anche studi su piccole non uniformità del fondo cosmico a microonde che è il grido di nascita dell'universo. Tutte queste misurazioni (e molte altre) devono anche essere affrontate da qualsiasi nuova teoria per spiegare le velocità di rotazione galattica.
Domande senza risposta della materia oscura
La teoria della materia oscura ha fatto un lavoro ragionevole nel prevedere molte di queste misurazioni, motivo per cui è molto rispettato nella comunità scientifica. Ma la materia oscura è ancora un modello non confermato. Tutte le prove della sua esistenza finora sono indirette. Se esiste la materia oscura, dovremmo essere in grado di osservare direttamente le interazioni della materia oscura mentre passa attraverso la Terra e potremmo essere in grado di creare materia oscura in grandi acceleratori di particelle, come il Large Hadron Collider. Eppure nessuno dei due approcci ha avuto successo.
Inoltre, la materia oscura dovrebbe concordare con tutte, non solo con molte, osservazioni astronomiche. Mentre la materia oscura è finora il modello di maggior successo, non ha del tutto successo. I modelli di materia oscura prevedono più galassie satellitari nane che circondano grandi galassie come la Via Lattea di quanto non vengano effettivamente rilevate. Sebbene siano state trovate più galassie nane, ce ne sono ancora poche rispetto alle previsioni della materia oscura.
Un'altra grande domanda aperta è come la materia oscura influisce sul rapporto tra la luminosità delle galassie e le loro velocità di rotazione. Questa relazione, che è stata presentata per la prima volta nel 1977, è chiamata relazione Tully-Fisher e ha dimostrato numerose volte che la massa visibile di una galassia si correla bene con la sua velocità di rotazione.
Sfide difficili per la materia oscura
Quindi, questo finisce la storia posteriore. Cosa c'è di nuovo?
La relazione Tully-Fisher è una sfida difficile per i modelli di materia oscura. La rotazione di una galassia è governata dalla quantità totale di materia che contiene. Se la materia oscura esiste veramente, allora la quantità totale di materia è la somma della materia sia ordinaria che oscura.
Ma la teoria della materia oscura esistente prevede che qualsiasi galassia casuale possa contenere frazioni più o meno grandi di materia oscura. Quindi, quando si misura la massa visibile, si potrebbe potenzialmente perdere una grossa fetta della massa totale. Di conseguenza, la massa visibile dovrebbe essere un predittore molto scarso della massa totale (e quindi della velocità di rotazione) della galassia. La massa della galassia potrebbe essere simile a quella della massa visibile (ordinaria) o potrebbe essere molto più grande.
Pertanto, non vi è motivo di aspettarsi che la massa visibile dovrebbe essere un buon predittore della velocità di rotazione della galassia. Eppure lo è.
In effetti, in un articolo pubblicato quest'anno, gli scettici della materia oscura hanno usato misurazioni del rapporto Tully-Fisher per una varietà di galassie per discutere contro l'ipotesi della materia oscura e per una versione modificata dell'inerzia, come MOND.
Adatto per la materia oscura
Tuttavia, in un articolo pubblicato a giugno, gli scienziati hanno dato una spinta significativa ai modelli di materia oscura. Non solo il nuovo lavoro riproduce i successi delle precedenti previsioni del modello di materia oscura, ma riproduce anche la relazione Tully-Fisher.
Il nuovo documento è un modello "semi-analitico", il che significa che è una combinazione di equazioni analitiche e simulazione. Simula il raggruppamento di materia oscura nell'universo primordiale che potrebbe aver seminato formazione di galassie, ma include anche l'interazione della materia ordinaria, comprese cose come la caduta della materia ordinaria in un altro corpo celeste a causa della sua attrazione gravitazionale, formazione stellare e riscaldamento di gas in fiamme dalla luce delle stelle e dalle supernova. Sintonizzando attentamente i parametri, i ricercatori sono stati in grado di abbinare meglio la prevista relazione Tully-Fisher. La chiave del calcolo è che la velocità di rotazione prevista include un valore realistico per il rapporto tra barioni e materia oscura nella galassia.
Il nuovo calcolo è un importante passaggio aggiuntivo nella convalida del modello di materia oscura. Tuttavia, non è l'ultima parola. Qualsiasi teoria di successo dovrebbe essere d'accordo con tutte le misurazioni. Non essere d'accordo significa che la teoria o i dati sono sbagliati, o almeno incompleti. Rimangono alcune discrepanze tra previsione e misurazione (come il numero di piccole galassie satellitari attorno a quelle grandi), ma questo nuovo documento ci dà la fiducia che il lavoro futuro risolverà queste discrepanze rimanenti. La materia oscura rimane una teoria fortemente predittiva della struttura dell'universo. Non è completo e necessita di validazione scoprendo la vera particella di materia oscura. Quindi, c'è ancora del lavoro da fare. Ma questo calcolo più recente è un passo importante verso il giorno in cui sapremo una volta per tutte se l'universo è davvero dominato dal lato oscuro.
