Combattimento cosmico: approfondire la battaglia tra materia oscura e gravità modificata – Physics World

Immagina se, in un colpo solo, con una piccola modifica alle leggi della gravità, potessi eliminare la necessità di tutta la materia oscura nell'universo. Ti libereresti di una particella fastidiosa la cui esistenza è solo dedotta e che finora ha sfidato la scoperta. Invece, la sostituireste con un’elegante teoria che modifica il lavoro fondamentale di Isaac Newton e Albert Einstein.

Almeno questo è il sogno della dinamica newtoniana modificata, o MOND. Sviluppato dal fisico israeliano Mordehai Milgrom e teorico americano-israeliano di origine messicana Jacob Beckenstein all’inizio degli anni ’1980, era il loro antidoto al popolare paradigma della “materia oscura”. Per loro, la materia oscura era un inutile e goffo collegamento alla cosmologia che, se reale, significa che l’80% della materia nel cosmo è invisibile.

Nei 40 anni trascorsi dalla sua ideazione, i risultati della MOND continuano ad essere oscurati dalla storia d'amore della cosmologia con la materia oscura. MOND ha anche lottato per spiegare fenomeni su scale più grandi e più piccole delle singole galassie. Quindi, dopo tutto, la MOND è qualcosa che dovremmo prendere sul serio?

Curve curiose

La nostra storia inizia alla fine degli anni '1960 e negli anni '1970 gli astronomi statunitensi Vera Rubin e Kent Ford si resero conto che le stelle alla periferia delle galassie orbitavano alla stessa velocità delle stelle vicine al centro, in apparente violazione delle leggi del moto orbitale di Giovanni Keplero. . Lo hanno illustrato nelle curve di rotazione delle galassie, essenzialmente solo un grafico della velocità orbitale rispetto al raggio dal centro. Invece di mostrare una pendenza negativa, i grafici erano una linea piatta. Da qualche parte c'era una gravità extra che trascinava in giro quelle stelle esterne.

La materia oscura – una forma invisibile di materia così abbondante da costituire la forza gravitazionale dominante nell’universo – era la soluzione popolare. Oggi, il concetto di materia oscura è intimamente intrecciato nel nostro modello standard di cosmologia ed è inerente alla nostra comprensione di come si forma la struttura dell’universo.

Il quadro che si forma la materia oscura è chiaro, ma non abbastanza chiaro per una piccola comunità di fisici e astronomi che hanno evitato la cosmologia della materia oscura e hanno invece adottato la MOND. In effetti, hanno abbondanti prove a sostegno della loro tesi. Nel 2016 Stacy McGaugh della Case Western Reserve University misurato le curve di rotazione di 153 galassie (Fis. Rev. Lett. 117 201101) e hanno scoperto, con una precisione senza precedenti, che le loro curve di rotazione sono spiegate dalla MOND, senza la necessità di ricorrere a un alone di materia oscura attorno a ciascuna galassia. In tal modo, ha giustificato la previsione di Milgrom.

“Direi che la MOND spiega queste cose meglio della materia oscura, e la ragione di ciò è il suo potere predittivo”, afferma McGaugh, un ex ricercatore sulla materia oscura che ora è un sostenitore della MOND, in seguito a un’epifania che lo ha visto cambiare posizione. Si riferisce al fatto che se si conosce la massa visibile (tutte le sue stelle e i gas) di una galassia, allora applicando MOND è possibile calcolare quali saranno le velocità di rotazione. Nel paradigma della materia oscura, non è possibile prevedere le velocità in base alla presenza di materia oscura. Invece, devi misurare la curva di rotazione della galassia per dedurre quanta materia oscura è presente. McGaugh sostiene che si tratta di un ragionamento circolare e non di una prova della materia oscura.

Come modificare la gravità

Modificare le leggi della gravità potrebbe essere un anatema per molti fisici – tale è il potere di Newton ed Einstein – ma non è una cosa così stravagante da fare. Dopotutto, viviamo in un universo misterioso, pieno di enigmi scientifici. Qual è l'energia oscura responsabile dell'accelerazione dell'espansione dell'universo? Perché c'è una tensione nelle diverse misurazioni del tasso di espansione dell'universo? In che modo le galassie si formano così rapidamente nell'universo primordiale, come testimoniato dal Hubble ed Telescopi spaziali James Webb? I ricercatori stanno esaminando sempre più le teorie della gravità modificata per fornire risposte, ma non tutti i modelli di gravità modificata sono uguali.

Ciò che ogni teoria della gravità modificata, inclusa la MOND, deve fare è spiegare perché ci rimane nascosta su scala quotidiana, entrando in azione solo in determinate condizioni.

Tessa Baker, cosmologa e guru della gravità modificata presso l'Università di Portsmouth nel Regno Unito, ha costruito la sua carriera testando le leggi della gravità e cercando modifiche, nel suo caso per cercare di spiegare l'energia oscura. “MOND, che è un esempio di teoria della gravità modificata, è insolito in quanto è una teoria che cerca di sostituire la materia oscura”, spiega Baker. "La maggior parte delle teorie sulla gravità modificata non lo fanno."

Ciò che ogni teoria della gravità modificata, compresa la MOND, deve fare è spiegare perché essa ci rimane nascosta su scala quotidiana, entrando in azione solo in determinate condizioni. I fisici chiamano il punto in cui avviene questa transizione “screening”, ed è tutto un problema di scala.

"La parte difficile è: come nascondere la modifica su scale in cui sappiamo che la relatività generale funziona molto bene?" chiede Baker. Il punto di partenza più ovvio potrebbe essere quello di considerare se la gravità varia su una scala di distanza, quindi nel nostro sistema solare la gravità svanisce con la regola dell’inverso del quadrato, ma sulla scala degli ammassi di galassie diminuisce a un ritmo diverso. "Questo categoricamente non funziona", dice McGaugh, aggiungendo che ci sono altre scale che funzionano.

Ad esempio, una teoria della gravità modificata con cui lavora Baker, nota come f(R) gravità – generalizza la teoria generale della relatività di Einstein. Sotto f(R), la gravità attiva l'effetto dell'energia oscura nelle aree dello spazio dove la densità della materia diventa sufficientemente bassa, come nei vuoti cosmici. Per MOND, la portata del meccanismo di screening è l’accelerazione. Di seguito una caratteristica accelerazione gravitazionale denominata a₀ – che è di circa 0.1 nanometri al secondo quadrato – la gravità funziona diversamente.

Piuttosto che seguire la regola dell'inverso del quadrato, alle accelerazioni inferiori a₀ la gravità diminuisce più lentamente, per l'inverso della distanza. Quindi qualcosa in orbita a quattro volte la distanza percepirebbe un quarto della gravità, non un sedicesimo. Le basse accelerazioni gravitazionali necessarie a questo scopo sono esattamente quelle sperimentate dalle stelle alla periferia delle galassie. “Quindi MOND attiva queste modifiche a basse accelerazioni allo stesso modo f(R) la gravità attiva le sue modifiche a basse densità”, spiega Baker.

Conflitto e controversia

MOND eccelle per le singole galassie, ma a seconda di chi parli, forse non sta andando così bene in altri ambienti. E un fallimento in particolare ha già spinto uno dei più convinti sostenitori della MOND contro questa teoria.

Un laboratorio ideale in cui testare la MOND è quello in cui non ci si aspetta che la materia oscura sia presente in grandi quantità, il che significa che eventuali anomalie gravitazionali dovrebbero derivare semplicemente dalle leggi di gravità stesse. I sistemi stellari binari larghi sono uno di questi ambienti costituiti da coppie di stelle di 500 UA o più a parte (dove si trova un'unità astronomica o AU la distanza media tra la Terra e il Sole). A distanze così grandi, il campo gravitazionale percepito da ciascuna stella è debole.

Grazie alla La missione spaziale astrometrica Gaia dell'Agenzia spaziale europea, team di ricercatori della MOND sono stati ora in grado di misurare i movimenti di ampi sistemi binari alla ricerca di prove della MOND. I risultati sono stati controversi e contrastanti, in termini di sopravvivenza della MOND come teoria valida.

Una squadra, guidata da Kyu-Hyun Chae dell'Università Sejong di Seul, ha effettuato un'analisi esaustiva di 26,500 binarie larghe e ha trovato moti orbitali che corrispondevano alle previsioni di MOND (ApJ 952 128). Ciò è stato supportato dal lavoro precedente di Xavier Hernandez dell'Universidad Nacional Autónoma de México, che ha acclamato quanto siano stati “eccitanti” i risultati di Chae. Ma non tutti ne sono convinti.

All’Università di St Andrews nel Regno Unito, Indranil Banik stava lavorando al suo progetto di sei anni per misurare la MOND in ampi binari. Aveva pubblicato i suoi piani prima di effettuare le misurazioni, assicurandosi di prendersi del tempo per parlare con altri esperti e ottenere feedback, mettendo a punto il suo metodo in modo che tutti potessero essere d'accordo. Banik si aspettava pienamente che i suoi risultati dimostrassero che la MOND era reale. “Ovviamente mi aspettavo che lo scenario MOND funzionasse”, dice. "Quindi è stata davvero una grande sorpresa quando ciò non è avvenuto."

In un articolo pubblicato alla fine del 2023 Banik non ha riscontrato alcuna deviazione dalla gravità newtoniana standard (Avvisi mensili della Royal Astronomical Society 10.1093/mnras/stad3393). I risultati furono per lui un tale colpo di martello da scuotere il mondo di Banik, che dichiarò pubblicamente che la MOND aveva torto, cosa che lo colpì con qualche critica. Perché, però, i suoi risultati dovrebbero essere così diversi da quelli di Chae e Hernandez? "Certamente, continuano a sostenere che ci sia qualcosa lì", dice Banik. Tuttavia, è scettico sui loro risultati, citando le differenze nel modo in cui hanno affrontato le incertezze nelle loro misurazioni.

Questi punti di contesa sono altamente tecnici, quindi forse non è una sorpresa totale che siano arrivate interpretazioni diverse. In effetti, per gli estranei è difficile sapere chi ha ragione e chi no. "È molto difficile sapere come giudicarlo", ammette McGaugh. "Non mi sento nemmeno del tutto qualificato per giudicare su questa scala, e sono molto più qualificato della maggior parte delle persone!"

Non sono solo i binari ampi in cui Banik vede il fallimento della MOND. Cita anche il caso del nostro sistema solare. Uno dei principi centrali della MOND è il fenomeno dell’“effetto di campo esterno”, per cui il campo gravitazionale complessivo della Via Lattea è in grado di imprimersi su sistemi più piccoli, come il nostro sistema solare. Dovremmo vedere questa impronta, in particolare sulle orbite dei pianeti esterni. Ricerca di questo effetto attraverso i dati di tracciamento radio da La navicella spaziale Cassini della NASA, che ha orbitato attorno a Saturno tra il 2004 e il 2017, non ha trovato prove dell'effetto del campo esterno sull'orbita di Saturno.

“Le persone stanno iniziando a rendersi conto che non c’è modo di conciliare la MOND con la mancata rilevazione degli effetti nei dati Cassini e che la MOND non funzionerà su scale inferiori all’anno luce”, afferma Banik. Se Banik ha ragione, la MOND si trova in una pessima situazione, ma non è l’unico campo di battaglia in cui viene combattuta la guerra della MOND contro la materia oscura.

Enigmi dei cluster

Nel 2006 la NASA ha rilasciato un immagine spettacolare di due ammassi di galassie in collisione, indicati nella loro forma combinata come Bullet Cluster. Il telescopio spaziale Hubble ha fornito viste ad alta risoluzione della posizione delle galassie, mentre le osservazioni dei raggi X del gas caldo tra quelle galassie provenivano dall'Osservatorio a raggi X Chandra. Sulla base della posizione delle galassie e del gas, nonché del grado di lente gravitazionale della materia nello spazio piegato dell'ammasso, gli scienziati sono stati in grado di calcolare la posizione della materia oscura nell'ammasso.

"È stato affermato che il Bullet Cluster confermasse l'esistenza della materia oscura, cosa che è stata utilizzata per argomentare fortemente contro la MOND", afferma Paolo Krupa, astrofisico dell'Università di Bonn. "Ebbene, si scopre che la situazione è esattamente l'opposto."

Kroupa è feroce nel suo entusiasmo per MOND e ha deciso di esplorarlo sulla scala strutturale più ampia possibile: ammassi di galassie su larga scala. Nel suo mirino c'è niente di meno che il modello standard della cosmologia, conosciuto colloquialmente come “lambda-CDM” o ΛCDM (Λ si riferisce alla costante cosmologica, o alla componente di energia oscura dell'universo, e CDM è la materia oscura fredda).

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Per prima cosa, Kroupa ritiene che ammassi di galassie così grandi non dovrebbero nemmeno esistere, e tanto meno avere avuto il tempo di scontrarsi, ad alti spostamenti verso il rosso. ΛCDM presuppone che le strutture dovrebbero crescere lentamente, e Kroupa sostiene che sarebbe troppo lento per ciò che i nostri telescopi ci stanno mostrando: galassie massicce ed enormi ammassi nell'universo primordiale. Più pertinentemente, è la dinamica stessa delle collisioni tra ammassi a dare speranza a Kroupa. In particolare, ΛCDM prevede che le velocità delle galassie che cadono nel pozzo gravitazionale dell'ammasso combinato dovrebbero essere molto inferiori a quanto osservato.

“Le collisioni tra ammassi di galassie sono in completo disaccordo con ΛCDM mentre sono in accordo piuttosto naturale con MOND”, afferma Kroupa. Nonostante l'entusiasmo di Kroupa, McGaugh non ne è così sicuro. In effetti, pensa che gli ammassi di galassie siano un vero problema sia per ΛCDM che per MOND.

“È un disastro”, ammette. “Per la materia oscura, le velocità di collisione sono troppo elevate. Gli studiosi della materia oscura sono andati avanti e indietro, sostenendo che le velocità sono troppo elevate o no? Per MOND, è che gli ammassi di galassie mostrano una discrepanza di massa anche dopo aver applicato MOND. I cluster mi preoccupano perché semplicemente non vedo una bella via d’uscita”.

Una teoria su tutto?

Si può discutere di cluster e binari estesi all'infinito finché una parte o l’altra ammetterà la sconfitta. Ma forse la critica più seria mossa alla MOND è stata la sua totale mancanza di un modello cosmologico praticabile. Va tutto bene e va bene cercare di sostituire la materia oscura con la gravità modificata nelle galassie, ma affinché la teoria abbia successo, deve spiegare tutto ciò che la materia oscura può e altro ancora. Ciò significa che deve essere un rivale di ΛCDM nello spiegare ciò che vediamo nel sfondo cosmico a microonde (CMB) – la radiazione a microonde primordiale che riempie l’universo.

La CMB viene spesso definita la “palla di fuoco del big bang”, ma è molto più di questo. Su di esso, sotto forma di sottili variazioni di temperatura, a partire da soli 379,000 anni dopo il Big Bang sono impresse quelle che chiamiamo anisotropie, corrispondenti a regioni di densità leggermente superiore o inferiore formate da onde acustiche che riverberavano attraverso il plasma primordiale. Questi sono i semi della formazione della struttura nell'universo. Da questi semi è nata la “rete cosmica” – una rete di filamenti di materia lungo la quale crescono le galassie e, dove i filamenti si incontrano, grandi ammassi di galassie.

MOND è stato ideato per spiegare le curve di rotazione delle galassie basandosi su Newton, non su Einstein. Ci sono voluti altri 20 anni perché Bekenstein riuscisse a elaborare un modello relativistico di MOND che potesse essere applicato alla cosmologia moderna. Chiamato gravità Tensore-Vettore-Scalare (TeVeS), si è rivelato impopolare, faticando a spiegare la dimensione del terzo picco acustico nelle anisotropie che nel modello standard è attribuibile alla materia oscura, così come le limitazioni nella modellazione della lente gravitazionale e delle onde gravitazionali .

Molte persone pensavano che il problema di un modello relativistico della MOND fosse così difficile da non essere possibile. Poi, nel 2021 Constantinos Skordis ed Tom Złośnik dell’Accademia ceca delle scienze ha dimostrato che tutti si sbagliavano. Nel loro modello, i due hanno introdotto campi scalari e vettoriali che modificano la gravità che operano nell’universo primordiale per creare effetti gravitazionali che imitano la materia oscura, prima di evolversi nel tempo per assomigliare alla normale teoria MOND nell’universo moderno.Fis. Rev. Lett. 127 161302).

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Considerata la tortuosa storia del tentativo di sviluppare un modello relativistico della MOND, McGaugh ritiene che sia un “risultato notevole” essere in grado di scrivere una teoria del genere che si adatti al fondo delle microonde. Il modello Skordis e Złośnik non è perfetto. Come TeVeS, fatica a spiegare la quantità di lente gravitazionale che osserviamo nell’universo. Banik evidenzia anche le difficoltà del modello, affermando che “è entrato in difficoltà in quanto non fornisce una buona spiegazione per gli ammassi di galassie”.

Baker fa eco a queste preoccupazioni. “Sebbene sia stato un buon passo avanti per la MOND poterlo fare”, dice, “non penso che sia stato sufficiente per riportare la MOND nel mainstream. Il motivo è che [Skordis e Złośnik] gli hanno aggiunto molti campi extra, molti fronzoli, e perde davvero eleganza. Funziona con la CMB, ma sembra molto innaturale”.

Forse stiamo caricando un peso eccessivo sulle spalle della modella. Potrebbe essere visto solo come un inizio, una prova di concetto. "Se questa sia la teoria finale, o addirittura la strada giusta, non lo so", dice McGaugh. "Ma la gente dice che non è possibile farlo, e ciò che Skordis e Złośnik hanno dimostrato è che è possibile farlo, e questo è un importante passo avanti."

La MOND continua ad affascinare, frustrare e alimentare il disprezzo dei discepoli della materia oscura. C'è ancora molta strada da fare affinché la comunità scientifica lo consideri un rivale di peso del ΛCDM, ed è certamente ostacolato dal fatto che sono relativamente poche le persone che ci lavorano, il che significa che i progressi sono lenti.

Ma i successi che questa nuova teoria ha avuto non dovrebbero essere ignorati, dice McGaugh. Se non altro, ciò dovrebbe tenere gli astronomi a lavorare con il modello tradizionale della materia oscura.

• Nella seconda parte della serie in tre parti, Keith Cooper esplorerà alcuni dei recenti successi della materia oscura e le gravi sfide che sta affrontando.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/