Per evitare che le galassie si disperdano, è necessaria una certa gravità aggiuntiva. Questo è il motivo per cui è stata proposta per la prima volta l’idea di una sostanza invisibile chiamata materia oscura. Non ci sono particelle nel Modello Standard della fisica delle particelle, di grande successo, che potrebbero essere la materia oscura: deve essere qualcosa di piuttosto esotico.
La materia oscura esiste?
Uno dei più grandi misteri dell’astrofisica odierna è che le forze nelle galassie non sembrano sommarsi. Le galassie ruotano molto più velocemente di quanto previsto applicando la legge di gravità di Newton alla loro materia visibile, nonostante tali leggi funzionino bene ovunque nel Sistema Solare.
Questo ha portato all’idea rivale che le discrepanze galattiche siano causate invece da una violazione delle leggi di Newton. L’idea di maggior successo di questo tipo è nota come dinamica Milgromiana o Mond, proposta dal fisico israeliano Mordehai Milgrom nel 1982, ma una recente ricerca ha dimostrato che questa teoria è in difficoltà.
Il postulato principale di Mond è che la gravità inizia a comportarsi diversamente da quanto previsto da Newton quando diventa molto debole, come ai margini delle galassie. Mond è riuscito abbastanza bene a prevedere la rotazione delle galassie senza la presenza di materia oscura, e ha ottenuto alcuni altri successi, ma molti di questi possono essere spiegati anche con la materia oscura, preservando le leggi di Newton.
Lo studio
Allora come possiamo mettere Mond alla prova definitiva? Perseguiamo questo obiettivo da molti anni. La chiave è che Mond cambia il comportamento della gravità solo a basse accelerazioni, non a una distanza specifica da un oggetto.
Si sentirà un’accelerazione inferiore alla periferia di qualsiasi oggetto celeste (un pianeta, una stella o una galassia) rispetto a quando gli si è vicini. Ma è la quantità di accelerazione, piuttosto che la distanza, a prevedere dove la gravità dovrebbe essere più forte.
Questo significa che, sebbene gli effetti Mond si manifestino tipicamente a diverse migliaia di anni luce da una galassia, se guardiamo una singola stella, gli effetti diventerebbero molto significativi a un decimo di anno luce. Si tratta di un valore solo poche migliaia di volte più grande di un’unità astronomica (UA), ovvero la distanza tra la Terra e il Sole, ma effetti Mond più deboli dovrebbero essere rilevabili anche su scale ancora più piccole, come nel Sistema Solare esterno.
Questo ci porta alla missione Cassini, che ha orbitato attorno a Saturno tra il 2004 e il suo ultimo e violento incidente sul pianeta nel 2017. Saturno orbita attorno al Sole a 10 UA. A causa di un capriccio di Mond, la gravità del resto della nostra galassia dovrebbe far deviare l’orbita di Saturno dall’aspettativa newtoniana in modo sottile.
Questo può essere testato cronometrando gli impulsi radio tra la Terra e Cassini. Poiché Cassini orbita attorno a Saturno, ciò ha aiutato a misurare la distanza Terra-Saturno e ci ha permesso di tracciare con precisione l’orbita di Saturno. Ma Cassini non ha riscontrato alcuna anomalia del tipo previsto in Mond. Newton funziona ancora bene per Saturno.
Forse Mond si adatterebbe ai dati di Cassini se modificassimo il modo in cui calcoliamo le masse delle galassie dalla loro luminosità? Questo influenzerebbe la quantità di spinta alla gravità che Mond deve fornire per adattarsi ai modelli di rotazione della galassia, e quindi cosa dovremmo aspettarci per l’orbita di Saturno.
Un’altra incertezza è la gravità delle galassie circostanti, che ha un effetto minore, ma lo studio ha dimostrato che, dato il modo in cui Mond dovrebbe lavorare per adattarsi ai modelli di rotazione delle galassie, non può adattarsi anche ai risultati del tracciamento radio di Cassini, indipendentemente da come modifichiamo i calcoli.
Con le ipotesi standard considerate più probabili dagli astronomi e tenendo conto di un’ampia gamma di incertezze, la possibilità che Mond corrisponda ai risultati di Cassini è la stessa di quella di una moneta lanciata che esca testa a testa 59 volte di seguito. Si tratta di più del doppio del gold standard “5 sigma” per una scoperta scientifica, che corrisponde a circa 21 lanci di moneta consecutivi.
Conclusioni
I risultati di un altro team hanno mostrato che anche Mond non riesce a spiegare i piccoli corpi nel lontano sistema solare esterno. Le comete che arrivano da là fuori hanno una distribuzione di energia molto più ristretta di quanto previsto da Mond. Questi corpi hanno anche orbite che di solito sono solo leggermente inclinate rispetto al piano vicino al quale orbitano tutti i pianeti. Mond farebbe sì che le inclinazioni siano molto più grandi.
La gravità newtoniana è fortemente preferita rispetto a quella di Mond su scale di lunghezza inferiori a circa un anno luce. Ma Mond fallisce anche su scale più grandi delle galassie: non riesce a spiegare i movimenti all’interno degli ammassi di galassie.
La materia oscura è stata proposta per la prima volta da Fritz Zwicky negli anni ’30 per spiegare i movimenti casuali delle galassie, che richiede per tenerlo insieme più gravità di quella che la massa visibile può fornire.
Nemmeno Mond può fornire abbastanza gravità, almeno nelle regioni centrali degli ammassi di galassie, ma nella loro periferia, Mond fornisce troppa gravità. Supponendo invece che la gravità newtoniana, con una quantità di materia oscura cinque volte superiore a quella normale, sembra fornire un buon adattamento ai dati.
Il modello cosmologico standard della materia oscura, tuttavia, non è perfetto. Ci sono cose che fatica a spiegare, dal tasso di espansione dell’Universo alle gigantesche strutture cosmiche. Quindi potremmo non avere ancora il modello perfetto.
Sembra che la materia oscura sia qui per restare, ma la sua natura potrebbe essere diversa da quella suggerita dal Modello Standard. Oppure la gravità potrebbe effettivamente essere più forte di quanto pensiamo, ma solo su scala molto ampia.
In definitiva, però, Mond, così come formulato attualmente, non può più essere considerato una valida alternativa alla materia oscura. Potrebbe non piacerci, ma la materia oscura continua a prevalere.
