La materia oscura è una forma ipotetica di materia utilizzata per spiegare effetti gravitazionali che non possono essere spiegati dalla relatività generale a meno che nell’universo non sia presente più materia di quella visibile.
Gravità e Materia Oscura
La costituzione (e l’esistenza stessa) della materia oscura resta per gli scienziati un mistero che ne ipotizzano l’esistenza per via di effetti gravitazionali altrimenti inspiegabili osservati nel moto delle galassie. Fu ipotizzata quasi un secolo fa, quando la sua possibile esistenza fu suggerita per la prima volta dall’astronomo olandese Jan Oort nel 1932 per spiegare la cosiddetta “massa mancante” necessaria affinché cose come le galassie si raggruppino.
Ora il Dr. Richard Lieu dell’Università dell’Alabama a Huntsville (UAH) ha pubblicato un articolo su Monthly Notice della Royal Astronomical Society che mostra, per la prima volta, come la gravità possa esistere senza massa, fornendo una teoria alternativa che potrebbe potenzialmente mitigare la necessità dell’esistenza della materia oscura.
“La mia ispirazione è venuta dalla ricerca di un’altra soluzione alle equazioni del campo gravitazionale della relatività generale – la cui versione semplificata, applicabile alle condizioni delle galassie e degli ammassi di galassie, è nota come equazione di Poisson – che fornisce una forza gravitazionale finita in assenza di massa rilevabile,” dice Lieu, un illustre professore di fisica e astronomia alla UAH, una parte del sistema dell’Università dell’Alabama.
“Questa iniziativa è a sua volta guidata dalla mia frustrazione per lo status quo, vale a dire l’idea dell’esistenza della materia oscura nonostante non si sia riusciti a rilevare prove dirette per un intero secolo“.
Lo studio
Il ricercatore sostiene che la gravità “in eccesso” necessaria per tenere insieme una galassia o un ammasso potrebbe essere dovuta invece a serie concentriche di difetti topologici simili a gusci in strutture comunemente presenti in tutto il cosmo che molto probabilmente si crearono nell’universo primordiale quando si verificò una transizione di fase. Una transizione di fase cosmologica è un processo fisico in cui lo stato generale della materia cambia insieme in tutto l’universo.
“Non è chiaro al momento quale forma precisa di transizione di fase nell’universo possa dar luogo a difetti topologici di questo tipo“, afferma Lieu.
“Gli effetti topologici sono regioni dello spazio molto compatte con un’altissima densità di materia, solitamente sotto forma di strutture lineari note come stringhe cosmiche, sebbene siano possibili anche strutture 2D come gusci sferici.
“I gusci nel mio articolo sono costituiti da un sottile strato interno di massa positiva e da un sottile strato esterno di massa negativa; la massa totale di entrambi gli strati – che è tutto ciò che si può misurare, in termini di massa – è esattamente zero, ma quando una stella giace su questo guscio, subisce una grande forza gravitazionale che la trascina verso il centro del guscio“.
Poiché la forza gravitazionale implica fondamentalmente la deformazione dello spazio-tempo stesso, consente a tutti gli oggetti di interagire tra loro, indipendentemente dal fatto che abbiano massa o meno. È stato confermato, ad esempio, che i fotoni privi di massa subiscono effetti gravitazionali da oggetti astronomici.
“La deflessione gravitazionale della luce da parte di un insieme di gusci singolari concentrici che compongono una galassia o un ammasso è dovuta al fatto che un raggio di luce viene deviato leggermente verso l’interno – cioè verso il centro della struttura su larga scala, o l’insieme di gusci – mentre passa attraverso un guscio“, osserva Lieu.
“L’effetto totale del passaggio attraverso molti gusci è una deflessione totale finita e misurabile che imita la presenza di una grande quantità di materia oscura più o meno allo stesso modo della velocità delle orbite stellari.
“Sia la deflessione della luce che la velocità orbitale stellare sono gli unici mezzi con cui si misura l’intensità del campo gravitazionale in una struttura su larga scala, sia essa una galassia o un ammasso di galassie. La tesi del mio articolo è che almeno i gusci che presuppone siano privi di massa, non c’è quindi bisogno di perpetuare questa ricerca apparentemente infinita della materia oscura”.
Prospettive
La ricerca futura si dovrà probabilmente concentrare su come una galassia o un ammasso si forma dall’allineamento di questi gusci, nonché su come avviene l’evoluzione delle strutture.
“Questo articolo non tenta di affrontare il problema della formazione della struttura. Un punto controverso è se i gusci fossero inizialmente piani o addirittura corde diritte, ma il momento angolare li avvolge. C’è anche la questione di come confermare o confutare i gusci proposti. Naturalmente, la disponibilità di una seconda soluzione, anche se altamente suggestiva, non è di per sé sufficiente a screditare l’ipotesi della materia oscura: potrebbe essere, nella migliore delle ipotesi, un esercizio matematico interessante”, conclude Lieu.
“Ma è la prima prova che la gravità può esistere senza massa“.
Fonte: Richard Lieu, The binding of cosmological structures by massless topological defects, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2024). DOI: 10.1093/mnras/stae1258
