C’è materia oscura nelle galassie?

L’universo che continua a espandersi. Le stelle ai margini delle galassie che viaggiano a velocità superiore a quelle attese dalla teoria gravitazionale di Newton. Sono solo due dei fenomeni del cosmo che non trovano spiegazione, se non ipotizzando l’esistenza di una forza attrattiva esercitata da una massa mancante e invisibile, una materia oscura.

Nel 2016, però, un gruppo di ricercatori della Case Westerne Reserve University guidati da Stacy McGaugh ha analizzato un insieme di galassie e ipotizzato che la materia oscura non serva a spiegare quelle velocità discrepanti, fornendo una nuova spiegazione con la teoria della gravità modificata MOND (MOdified Newtonian Dynamics). L’ipotesi di McGaugh e colleghi fece scalpore: nelle galassie non c’è materia oscura. Un nuovo studio condotto dai ricercatori della SISSA di Trieste ora smentisce i risultati raggiunti da McGaugh e conferma: la materia oscura deve essere nelle galassie.

Materia oscura, c’è o non c’è nelle galassie?

L’esistenza della materia oscura e dell’energia oscura per spiegare le anomalie osservate nell’universo fu ipotizzata per la prima volta negli anni Settanta. A oggi si ritiene che la materia oscura costituisca circa il 27% dell’universo, mentre l’energia oscura è al 68% e la materia ordinaria solo il 5%. Esistono però solo prove indirette dell’esistenza della materia oscura nel cosmo, evidenziate come anomalie al comportamento atteso per una galassia o per l’espansione dell’universo se seguissero le leggi della gravità di Newton, poi riviste dalla relatività generale di Einstein.

Per alcuni ricercatori quindi l’osservare fenomeni non previsti dalla teoria gravitazionale implica che ci debba essere una qualche massa, chiamata oscura perché a noi invisibile e impossibile da misurare direttamente per ora, che eserciti una forza gravitazionale. Proprio quella forza necessaria a far sì che le leggi della gravità siano rispettate e verificate nell’universo, come nel caso delle anomalie delle velocità delle stelle nelle galassie a spirale.

Per altri ricercatori invece, la materia oscura non si trova nelle galassie a spirale, ma quelle anomalie possono essere spiegate da altre leggi della natura, come ad esempio la teoria sulla gravità newtoniana modificata o MOND, proposta nel 1983 dal fisico israeliano Mordehai Milgrom. Da allora molte sono state le teorie elaborate sulla modifica della seconda legge di gravità di Newton. I fisici ritengono che nella formula della forza è pari a massa per accelerazione vada introdotta una nuova costante, che dimensionalmente è un’accelerazione, in grado di spiegare il moto delle stelle escludendo la presenza di materia oscura nella galassia.

La discrepanza di velocità nelle galassie: la correlazione di McGaugh

Di quest’ultima teoria si è fatto portavoce McGaugh, che in uno studio pubblicato sulla rivista Physical Review Letters del 2016 sulle velocità di rotazione delle galassie ha scoperto una correlazione tra l’accelerazione centripeta osservata, determinata dalle curve di rotazione, e l’accelerazione centripeta prevista, che si desume dalla distribuzione della materia barionica, formata da stelle e gas. Tra le possibili spiegazioni di questa discrepanza, McGaugh inserì anche la possibilità che la materia oscura non esistesse nelle 153 galassie osservate per lo studio.

I ricercatori della Case Western Reserve University si sono così fatti portavoce di un dubbio, quello che alcuni fenomeni nelle galassie possano essere spiegati senza la materia oscura, anche se le prove a favore della sua esistenza sembrano essere maggiori. McGaugh in una intervista del 2017 a Simmetry Magazine spiegò: “Quando aderiamo a un particolare paradigma, la maggior parte dei nostri ragionamenti è confinata entro i suoi limiti e se incontriamo una situazione che richiede un cambiamento di punto di vista, ci risulta estremamente difficile pensare fuori dagli schemi. Anche se conosciamo le regole del gioco e sappiamo di dover essere pronti a cambiare idea, in linea teorica tutti proviamo a farlo, ma si tratta di cambiamenti di una mentalità così grandi che la nostra natura umana non riesce semplicemente a passare oltre”.

La conferma della SISSA: la materia oscura c’è

C’è però un problema con le teorie di McGaugh. Le sue osservazioni empiriche si sono dimostrate esatte per le galassie a spirale classiche, ma non sono verificate per gli ammassi di galassie più massicci o per galassie di altra natura, come quelle a bassa luminosità superficiale o le nane a disco. Un nuovo studio dei ricercatori della SISSA di Trieste guidato da Chiara Di Paolo e pubblicato sulla rivista The Astrophysical Journal smentisce la possibilità che la correlazione osservata da McGaugh non dipenda dalla materia oscura, confermandone così la presenza nelle galassie. Inoltre fornisce nuovi spunti sia per la comprensione della natura della materia oscura, che per lo studio della sua relazione con quella ordinaria.

Proprio dallo studio di McGaugh del 2016 su 153 galassie a spirale nasce la ricerca coordinata da Di Paolo, che in un comunicato spiega: “Analizzando le curve di rotazione di 153 galassie rotanti, principalmente le “classiche” spirali, hanno ottenuto una relazione empirica tra l’accelerazione gravitazionale totale delle stelle (osservata) e la componente che osserveremmo in presenza della sola materia ordinaria nella classica teoria Newtoniana. Tale relazione empirica, che sembrava valida in tutte le galassie da loro analizzate e a qualunque raggio galattico, ha indotto a spiegare l’accelerazione gravitazionale senza chiamare necessariamente in causa la materia oscura, ma coinvolgendo per esempio teorie di gravità modificata come MOND (MOdified Newtonian Dynamics)”.

Il lavoro della Di Paolo invece si è concentrato su 106 galassie diverse dalle “classiche” spirali, in particolare su 72 galassie a bassa luminosità superficiale (LSB) e 34 galassie nane a dischi. Lo studio ha evidenziato una relazione non coinvolge solo l’accelerazione gravitazionale totale e la sua componente ordinaria, ma anche il raggio galattico e la morfologia delle galassie.

Paolo Salucci, professore di astrofisica della SISSA e co-autore dello studio, ha spiegato: “Abbiamo studiato la relazione tra l’accelerazione totale e la sua componente ordinaria in 106 galassie, ottenendo risultati diversi da quanto precedentemente osservato. Questo non solo dimostra l’inesattezza della relazione empirica precedentemente descritta ma elimina i dubbi sull’esistenza della materia oscura nelle galassie. Inoltre, la nuova relazione trovata potrebbe fornire informazioni cruciali alla comprensione della natura di questa componente indefinita”.

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