Nuove restrizioni sulle teorie alternative sulla gravità che potrebbero favorire la ricerca sulla materia oscura

Oggi il modello standard delle particelle è la via più battuta più nel tentativo di spiegare la materia oscura, anche se i fisici non hanno ancora rilevato nessuna particella per confermare o smentire l’efficacia del modello. Altri teorici esplorano teorie alternative sulla gravità per spiegare l’esistenza di questo tipo sfuggente di materia. Per ovviare alla necessità della materia oscura, tuttavia, queste teorie dovrebbero essere allineate con le osservazioni cosmologiche raccolte finora.
La sostanza della materia oscura è ancora ignota. Essa può avere ingredienti diversi: una componente di tipo barionico (materia ordinaria) e una componente di tipo non barionico.
La componente barionica, costituita da oggetti massicci ma non luminosi, può essere composta da pianeti, nane bianche, nane brune, stelle di neutroni e buchi neri. Questi oggetti prendono il nome di MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects o Oggetti astrofisici massicci e compatti di alone) ed emettono una quantità di luce insufficiente per poter essere osservati. Questi oggetti possono però essere rilevati attraverso un effetto chiamato lente gravitazionale. Le osservazioni attuali indicano che la materia oscura barionica presente nell’universo può contribuire per una piccolissima percentuale alla Materia Oscura.
La componente non barionica è invece costituita da particelle non ancora rilevate. Si ritiene che possa trattarsi di particelle supersimmetriche quali neutralini, o neutrini massicci o particelle mai osservate che rispondono solo alla forza gravitazionale e all’interazione nucleare debole. Queste particelle, note con il nome di WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles = particelle massive debolmente interagenti), sono molto massive (100 volte più pesanti di un protone o più), ma interagiscono debolmente con la materia. Queste particelle vagherebbero nell’universo, addensandosi in prossimità delle galassie a causa dell’attrazione gravitazionale. Le WIMPs sono particelle previste da alcune teorie (per esempio la supersimmetria), ma non ancora osservate neanche nei più potenti acceleratori oggi a disposizione della scienza.
Di recente, due ricercatori del Jet Propulsion Laboratory (JPL) e della Princeton University hanno condotto uno studio volto a comprendere meglio quali punti dovrebbero affrontare le teorie della gravità alternative per sostenere l’esistenza della materia oscura nell’universo. Il loro articolo, pubblicato su Physical Review Letters, traccia una serie di vincoli che potrebbero permettere di determinare la potenziale validità delle teorie alternative sulla gravità.
Il modello cosmologico standard, ΛCDM (dove CDM sta per Cold Dark Matter, ossia Materia Oscura Fredda e Λ (lambda)e la costante cosmologica che è l’energia oscura rappresentata dall’energia del vuoto), spiega come l’universo attuale si è sviluppato dal fondo cosmico a microonde (CMB), tessendo una “tela” dello sviluppo dell’universo dalla sua origine fino ai giorni nostri. L’evoluzione della struttura della CMB in galassie e nell’attuale struttura della rete cosmica potrebbe essere giustificata dall’esistenza della materia oscura fredda (CDM).
Kris Pardo, uno dei ricercatori che ha partecipato allo studio, ha detto a Phys.org:
“Volevamo vedere se potevamo utilizzare i dati CMB e i dati della galassia disponibili oggi per porre alcuni vincoli su come dovrebbe comportarsi una teoria della gravità alternativa per spiegare la materia oscura.Fondamentalmente, se è effettivamente qualche gravità alternativa che è responsabile della materia oscura, allora dovrebbe essere in grado di spiegare esattamente come si evolve la materia normale dalla CMB ad oggi”.
Il concetto di fondo dello studio condotto da Pardo e dal suo collega David N. Spergel è già stato indagata da altri ricercatori, tra cui Scott Dodelson del Kavli Institute for Cosmological Physics in un articolo pubblicato nel 2011. Nondimeno, Pardo e Spergel sono stati i primi a quantificare effettivamente la funzione che riassume questa idea.
Come ha spiegato Pardo:
“Abbiamo dimostrato che qualsiasi teoria che cerchi di spiegare la materia oscura cambiando la gravità (anziché avere una nuova particella) avrebbe bisogno di avere una forma molto particolare. In effetti, questa forma sarebbe così unica che probabilmente porterebbe ad alcuni movimenti piuttosto folli delle galassie vicino a noi, di cui non vediamo le prove. Quindi la spiegazione più semplice per la materia oscura è che si tratta di una particella”.
L’attuale studio di Pardo e Spergel ha fissato nuove restrizioni sulle qualità specifiche che le teorie alternative sulla gravità dovrebbero avere per sostenere l’esistenza della materia oscura. È interessante notare che i ricercatori hanno scoperto che nessuna delle teorie sulla gravità proposte finora soddisfa queste restrizioni, il che suggerisce che se la materia oscura può essere spiegata da tali teorie, una teoria valida non è stata ancora sviluppata. In futuro, il lavoro di Pardo e Spergel potrebbe aggiornare lo sviluppo di teorie sulla gravità alternativa più in linea con le osservazioni cosmologiche.
“Nel nostro studio, abbiamo ipotizzato che la teoria della gravità alternativa dovesse essere ‘lineare'”, ha detto Pardo. “Stiamo ora esaminando come estenderlo a teorie non lineari”.
Fonte: https://phys.org/news/2020-12-constraints-alternative-gravity-theories-dark.html