La principale teoria alternativa alla materia oscura è la MOND ma la sonda Cassini ed altri test potrebbero invalidarla

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.

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 che nessuno ha mai visto. Nessuna delle particelle nel Modello Standard della fisica si candida per altro per comporla. La materia oscura: se c’è deve essere qualcosa di piuttosto esotico.

Fra le teorie rivali ci sono quelle che si basano sull’idea che le discrepanze galattiche siano invece causate da una violazione delle leggi di Newton. L’idea di maggior successo nella categoria è nota come dinamica Milgromiana o MOND, proposta dal fisico israeliano Mordehai Milgrom nel 1982. Una recente ricerca mostra però le difficoltà di questo modello.

Cos’è la MOND e quali sono le sue basi?

Il postulato principale della 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 abbastanza efficace nel prevedere la rotazione delle galassie senza la presenza di materia oscura, e ha ottenuto alcuni altri successi. Tuttavia molti effetti possono essere spiegati anche con la materia oscura, pur preservando così le leggi di Newton.

Si può sottoporre la MOND alla prova definitiva? La chiave è che MOND descrive il cambiamento del comportamento della gravità solo a basse accelerazioni, non a una distanza specifica da un oggetto. Sentirai un’accelerazione inferiore alla periferia di qualsiasi oggetto celeste (un pianeta, una stella o una galassia) rispetto a quando gli sei vicino. Ma è la quantità di accelerazione, piuttosto che la distanza, a prevedere dove la gravità dovrebbe essere più forte.

Ciò 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.

La Missione Cassini test per la MOND

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. Secondo la MOND, la gravità del resto della nostra galassia dovrebbe far deviare l’orbita di Saturno dall’aspettativa newtoniana anche se in modo minimo.

Poiché Saturno non è così lontano, grazie alle trasmissioni radio con Cassini è stato possibile tracciare con precisione l’orbita del pianeta. Tuttavia Cassini non ha riscontrato alcuna anomalia del tipo previsto dalla MOND. Newton quindi funziona ancora bene per Saturno.

Con le ipotesi standard considerate più probabili dagli astronomi e consentendo un’ampia gamma di incertezze, la possibilità che MOND corrisponda ai risultati di Cassini è la stessa di una moneta lanciata che esce 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.

Altre brutte notizie per la MOND

Oltre ai dati della Cassini un altro test interessante si basa sulle stelle binarie larghe: due stelle che orbitano attorno a un centro condiviso a diverse migliaia di UA di distanza. MOND ha previsto che tali stelle dovrebbero orbitare l’una attorno all’altra il 20% più velocemente di quanto previsto con le leggi di Newton. Ma lo studio di Indranil Banik esclude questa previsione.

I risultati di un altro team mostrano che la 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 dalla MOND. Questi corpi hanno anche orbite che di solito sono solo leggermente inclinate rispetto al piano vicino al quale orbitano tutti i pianeti. Se MOND funzionasse le inclinazioni dovrebbero essere maggiori.

La stessa MOND non sembra sostenere i valori gravitazionali nelle zone più esterne delle galassie.

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, la MOND, così come formulata attualmente, non può più essere considerata una valida alternativa alla materia oscura. Potrebbe non piacerci, ma il lato oscuro continua a prevalere.

Fonte: Phys.org

Teoria della Materia Oscura

La materia oscura è una forma ipotetica di materia che non interagisce con la luce o il campo elettromagnetico, rendendola invisibile ai nostri strumenti di osservazione diretta. Tuttavia, la sua presenza è implicata dagli effetti gravitazionali che non possono essere spiegati dalla relatività generale a meno che non sia presente più materia di quanto possiamo osservare. Nel modello standard della cosmologia, la materia oscura costituisce circa il 26.8% dell’universo, mentre la materia ordinaria solo il 5%.

Fritz Zwicky: Il Padre della Teoria della Materia Oscura

Il concetto di materia oscura fu introdotto per la prima volta dall’astronomo svizzero Fritz Zwicky nel 1933. Mentre esaminava l’ammasso di galassie della Coma, Zwicky utilizzò il teorema del viriale per scoprire l’esistenza di un’anomalia gravitazionale, che egli chiamò “dunkle Materie”, o materia oscura. La sua intuizione aprì la strada a decenni di ricerche e studi.

• Principali Evidenze a Favore della Teoria Le evidenze a sostegno dell’esistenza della materia oscura sono molteplici e provengono da diverse osservazioni astronomiche:
• Rotazione delle Galassie: Le stelle nelle galassie ruotano con velocità tali che la gravità generata dalla materia visibile non sarebbe sufficiente a mantenerle unite. Questo suggerisce la presenza di una massa aggiuntiva non visibile.
• Lenti Gravitazionali: La luce proveniente da oggetti distanti viene deviata in modo tale da suggerire che c’è più massa di quanto possiamo vedere, un fenomeno noto come lente gravitazionale.
• Radiazione Cosmica di Fondo: Le anisotropie nella radiazione cosmica di fondo forniscono indizi sulla distribuzione della materia oscura nell’universo primordiale.

In conclusione, la materia oscura rimane uno dei più grandi enigmi della fisica moderna. Nonostante non possiamo vederla direttamente, le sue tracce attraverso l’universo ci forniscono indizi cruciali sulla sua esistenza e sulla natura stessa del cosmo.