La materia oscura è un’ottima teoria. È supportata da una ricchezza di dati osservazionali e computazionali, ed è per questo che fa parte del modello standard della cosmologia. Ma la materia oscura non è stata osservata direttamente, quindi a volte anche i forti sostenitori della materia oscura sono motivati a guardare le alternative.

L’alternativa più popolare è conosciuta come Modified Newtonian Dynamics (MoND), nota anche come gravità modificata. L’evidenza che abbiamo per la materia oscura presuppone che la nostra comprensione della gravità sia corretta. Sia la gravità newtoniana che la relatività generale sono state fortemente confermate dalle osservazioni, quindi l’ipotesi della materia oscura è perfettamente ragionevole. Ma il MoND presuppone che a livello fondamentale la nostra comprensione della gravità sia leggermente sbagliata.

Le teorie gravitazionali sia di Newton che di Einstein dipendono da un fenomeno di base noto come forte principio di equivalenza. Cioè, la massa inerziale di un oggetto (come resiste ad un cambiamento di moto) e la sua massa gravitazionale (come tira su altre masse) sono proporzionali. Il risultato di questo principio è che tutta la materia cade alla stessa velocità in un campo gravitazionale. Questo effetto è stato confermato dai cosiddetti esperimenti di Eötvös. Il principio di forte equivalenza è valido all’interno di una parte su 10¹⁴che è l’attuale limite di osservazione.

Nelle versioni più comuni del MoND, la massa inerziale di un oggetto non è proporzionale alla massa gravitazionale a causa dell'”effetto campo esterno”. Nella fisica newtoniana, la massa inerziale di un oggetto è una proprietà intrinseca che esiste indipendentemente da tutto ciò che lo circonda. Nel MoND, la massa inerziale dipende dalla massa gravitazionale dell’oggetto e dall’attrazione gravitazionale netta dal resto dell’universo. In altre parole, la massa inerziale è una proprietà emergente piuttosto che inerente.

MoND è stato introdotto per spiegare il moto osservato della materia nelle galassie, che è stato anche una motivazione per l’introduzione della materia oscura. Nella maggior parte delle galassie, la maggior parte della materia visibile è concentrata vicino al centro. Quindi le stelle vicino al centro di una galassia dovrebbero muoversi più velocemente delle stelle vicino al bordo, proprio come i pianeti interni del nostro sistema solare si muovono più velocemente dei pianeti esterni. Ma ciò che osserviamo è che le stelle nella maggior parte delle galassie tendono a muoversi a velocità simili indipendentemente dalla loro distanza dal centro. In astronomia, diciamo che la curva di rotazione osservata non corrisponde alla previsione.

Nel modello della materia oscura, queste curve si spiegano con il fatto che la materia oscura comprende la maggior parte della materia di una galassia e circonda la galassia in un alone, quindi la maggior parte della materia non è concentrato al centro. MoND spiega le curve assumendo che l’attrazione gravitazionale da altre galassie modifichi la massa inerziale delle stelle più lontane dal centro, ed è per questo che si muovono più velocemente del previsto.

Ma se MoND è corretto, dovrebbe esserci una correlazione tra la curva di rotazione di una galassia e la distribuzione di altre galassie vicine. È qui che entra in gioco questo nuovo studio. Il team ha utilizzato il database Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC) per studiare le curve di rotazione di 175 galassie. Hanno confrontato la curva di rotazione di ogni galassia con la distribuzione media delle galassie vicine. Se il modello della materia oscura è corretto, la distribuzione delle galassie vicine non dovrebbe influenzare la curva di rotazione. Se il modello della materia oscura è corretto, la distribuzione e l’effetto di campo esterno (EFE) che ne risulta dovrebbero influenzare le curve.

Sorprendentemente, in modo scioccante, il loro studio ha trovato un chiaro effetto. Nelle galassie con i campi esterni più forti, l’EFE è stato confermato con una confidenza da 8 a 11 sigma. Gli esperimenti sono tipicamente presi come confermati se l’effetto è superiore a 5 sigma. Il team non ha visto un effetto curva anche per le galassie con campi esterni deboli. Nel complesso si tratta di un’ottima prova per un singolo studio. Inoltre, il team si aspettava che questo studio smentisse il MoND, quindi è altrettanto sorpreso dai risultati.

Nel complesso si tratta di uno studio affascinante. Non smentisce la materia oscura, poiché numerosi studi sostengono gli effetti della materia oscura, ma sostiene un aspetto della gravità modificata. È un risultato inaspettato e deve essere studiato ulteriormente. Il MoND è stato a lungo fuori luogo tra gli astronomi, ma questo studio dimostra che non dovremmo ancora credere alla leggenda della sua caduta.

Riferimento: Chae, Kyu-Hyun, et al. “Test del principio di forte equivalenza: Rilevamento dell’effetto del campo esterno nelle galassie supportate dalla rotazione.” The Astrophysical Journal 904.1 (2020): 51.