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Se volessimo usare un’analogia per riassumere la nostra attuale comprensione dell’universo e delle sue leggi, potremmo immaginare un puzzle con molte tessere che non riusciamo a mettere al loro posto. Tra queste tessere che imbarazzano gli scienziati, ce ne sono due particolarmente ingombranti: la materia oscura e l’energia oscura. Non sappiamo cosa sono, conosciamo solo i loro effetti indiretti sull’universo, dai quali i fisici desumono che queste due misteriose componenti del cosmo costituiscano in realtà più dei due terzi di tutto ciò che esiste.

Uno studio appena accettato per la pubblicazione dal prestigioso Astrophysical Journal sostiene però che la materia oscura, dopotutto, potrebbe non esistere ed essere solo il prodotto di un’errata comprensione del funzionamento della legge di gravitazione universale di Newton. Se da un lato il nuovo modello può piacere agli scienziati, perché fa sparire di colpo un po’ di questi fastidiosi tasselli fuori posto, è anche vero che accettarlo vorrebbe dire dover rifare daccapo praticamente tutto il puzzle.

Cercare la materia oscura che non c'è

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La teoria della gravitazione universale è infatti una conquista acquisita della scienza da secoli. Non spiega solo perché le mele cadono dagli alberi, ma anche perché la Luna gira intorno alla Terra, perché la Terra gira intorno al Sole e come funziona il moto di tutte le galassie dell’universo. Non certo roba da poco. Metterla in discussione vuol dire dover rivedere diversi concetti che continue verifiche sperimentali hanno dato ormai per scontati. Eppure, così la pensa un gruppo di ricercatori, uniti in un grande progetto internazionale, dell’Università della California Santa Cruz, dell’Università di Zurigo, dell’Università di Napoli Federico II e dell’Osservatorio Astronomico di Capodimonte, sempre a Napoli, afferente all’Istituto nazionale di astrofisica (INAF). Proprio l’INAF ha voluto rendere nota in anteprima la notizia, che ha subito fatto il giro della comunità scientifica mondiale. Intervistato dalla rivista Le Scienze, il primo autore della pubblicazione sull’Astrophysical Journal, Nicola Napolitano, dell’Osservatorio di Capodimonte, ha spiegato in poche parole come si è giunti a questa inattesa conclusione: “Da un po' di anni stiamo studiando la dinamica delle galassie ellittiche utilizzando, come traccianti delle velocità e della distribuzione dei moti all'interno delle galassie ellittiche, le nebulose planetarie, stelle giunte al termine del loro ciclo evolutivo, per trovare segnali della presenza di materia oscura”.

Perché le galassie ellittiche? Si tratta di galassie diverse dalla nostra (la Via Lattea, o Andromeda, hanno una forma a spirale), e dimensioni molto variabili, da alcune piccolissime ad altre gigantesche. Per determinare il loro moto, a causa di problemi prodotti dall’osservazione astronomica diretta, si usa analizzare la loro radiazione in raggi X. Numerosi satelliti messi in orbita nei decenni scorsi – tra cui l’osservatorio orbitante tedesco ROSAT, che qualche mese fa è precipitato sulla Terra al termine della sua lunga vita operativa – hanno permesso agli astronomi di comprendere meglio queste galassie, scoprendo che anche qui, come nelle galassie a spirale, qualcosa non va. Per esempio, la galassia M87 sembra possedere una massa duecento volte superiore a quella prodotta da tutte le stelle in essa presenti. Cosa produce questo eccesso di massa? Le teorie oggi accettate spiegano che queste galassie, come e più della nostra, ospitano materia oscura in misura fino a dieci volte superiore alla materia normale.

Ripensare la gravitazione newtoniana

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Newton fu il primo a dimostrare che l’attrazione gravitazionale è direttamente proporzionale alla massa dei corpi. Analizzando il modo in cui alcune galassie satelliti della M87 sono influenzate dall’attrazione gravitazionale della galassia-madre, gli scienziati erano già riusciti a desumere quale dovesse essere la massa di M87. Una stima che le osservazioni successive confermarono. Ebbene, in entrambi i casi i calcoli dimostravano che M87 possiede una massa “mancante”, cioè non visibile: la materia oscura. Questa materia sarebbe raggruppata in aloni che circondano ogni galassia. Un’ipotesi che il team di astrofisici di Napolitano sembrerebbe confermare: “In effetti abbiamo dimostrato in diversi lavori come i moti delle stelle, e in particolare di queste nebulose planetarie, potesse essere giustificato con la presenza di questi aloni di materia oscura”.

Esistono tuttavia teorie alternative. Tra queste, le cosiddette “teorie f(R)”, note anche come “teorie estese della gravitazione”, studiate tra gli altri da Salvatore Capozziello, professore di fisica e cosmologia teorica all’Università di Napoli Federico II. Si chiamano teorie estese perché di fatto estendono il campo di applicazione della teoria della gravitazione universale, come sviluppata da Newton e perfezionata da Einstein, a scale via via crescenti, da quella del singolo sistema solare fino a scale cosmologiche che comprendono numerose galassie. Non sono ipotesi nuove, anche se fino a oggi sono rimaste ipotesi minoritarie. In pratica, l’idea è che su grandi scale la forza di gravità non rispetti esattamente le leggi di Newton, perché il moto complessivo delle galassie aggiungerebbe un nuovo termine di forza che modificherebbe l’attuale ipotesi che il moto di una galassia sia sostanzialmente il mero prodotto del moto delle stelle che la compongono. In questo caso, la materia oscura non serve.

A caccia della prova

E' interessante vedere che ci possono essere spiegazioni alternative al paradigma della materia oscura.

Nicola Napolitano
Fino a oggi, pochi fisici hanno davvero preso sul serio le strambe ipotesi delle teorie f(R): per quanto in fisica si giochi spesso con la sola teoria, quando si fanno simili affermazioni occorrono anche delle prove sperimentali. E’ quel che sostengono essere riusciti a fornire gli astrofisici autori di questa ricerca. “Dal un punto di vista dei modelli dinamici delle galassie, abbiamo potuto verificare che la distribuzione dei moti delle stelle nelle galassie ellittiche può essere riprodotta con estrema accuratezza dalle teorie f(R)”, spiega Napolitano. Per giungere questa conclusione, il team internazionale ha analizzato tre diverse galassie ellittiche. “Le tre galassie prese in esame erano già state analizzate nell’ambito della dinamica newtoniana considerando aloni di materia oscura classici”, perciò “non è possibile escludere nessuna delle due teorie, ma è interessante vedere che ci possono essere spiegazioni alternative al paradigma della materia oscura”. Secondo Capozziello, inoltre, le teorie f(R) hanno già dimostrato di poter dare conto della diversa dinamica dei moti galattici non solo nelle galassie ellittiche, ma anche in quelle a spirale come la nostra, facendo a meno dell’ipotesi della materia oscura.

È vero che questa soluzione sembrerebbe risolvere un enigma che ossessiona gli scienziati e che fino a oggi non ha ancora avuto una spiegazione certa, dato che le tante particelle “esotiche” ipotizzate per dar conto della materia oscura non sono state finora osservate; ma è vero anche che restano molti dubbi. Innanzitutto perché la dinamica newtoniana modificata può spiegare i moti delle galassie facendo a meno della materia oscura, ma non si applica al di fuori delle galassie, dove invece domina un problema ancora più misterioso, quello dell’energia oscura, che sembra star accelerando l’universo e allontanando tra loro le galassie. In secondo luogo perché non è facile mettere da parte una teoria capace di spiegare quasi perfettamente il comportamento di una delle quattro forze fondamentali dell’universo, quella di gravità (le altre sono la forza elettromagnetica, quella nucleare debole e quella nucleare forte). La “G” che studiamo a scuola dovrebbe essere allora molto più elusiva di quanto abbiamo finora sospettato; ma è anche vero che ultimamente nemmeno la velocità della luce è più quella di una volta