Osservazioni strane delle galassie sfidano le idee sulla materia oscura

Osservazioni sconcertanti di galassie lontane stanno sfidando le idee dominanti dei cosmologi sull'universo, portando potenzialmente all'implicazione che la strana sostanza chiamata materia oscura non esista.

Questa è una possibile conclusione di un nuovo studio pubblicato il 20 giugno in The Astrophysical Journal Letters. La scoperta “solleva questioni di natura straordinariamente fondamentale,” dice Richard Brent Tully, un astronomo dell'Università delle Hawaii a Manoa che non è stato coinvolto nel lavoro.

Gli astronomi sospettano che la materia oscura esista a causa del modo in cui le stelle e altro materiale visibile ai margini visibili di una galassia ruotano. Le velocità di rotazione degli oggetti lontani dal centro galattico sono molto più alte di quanto dovrebbero essere vista la quantità di materia luminosa osservata nei telescopi. Secondo l'attuale comprensione della gravità da parte dei fisici, ciò implica che un enorme serbatoio di materia invisibile debba tirare quelle stelle.

I nuovi risultati si basano sul fatto che oggetti massicci distorcono il tessuto dello spazio e del tempo. Le galassie sono composte da enormi quantità di stelle visibili, gas e polvere, oltre a — secondo la teoria — un enorme alone di materia oscura invisibile. Questo significa che la luce verrà piegata e distorta mentre viaggia oltre una galassia, un effetto noto come lente gravitazionale. 

Sapendo questo, l'astronomo Tobias Mistele della Case Western Reserve University a Cleveland e colleghi hanno deciso di cercare segni di lenti gravitazionali intorno a più galassie come modo per sondare i contenuti delle galassie. Il team ha esaminato un catalogo di circa 130.000 galassie riprese dal VLT Survey Telescope all'Osservatorio Paranal dell'European Southern Observatory in Cile, cercando strisce rivelatrici che indicassero la presenza di galassie più distanti la cui luce era stata piegata e distorta dagli oggetti intervenienti.

La quantità di lente fornisce un proxy per le masse delle galassie in primo piano, includendo sia la loro materia luminosa e, presumibilmente, la quantità molto maggiore di materia oscura che circonda ciascuna galassia. Il team ha poi calcolato la massa a varie distanze dal centro di ciascuna galassia e ha utilizzato ciò per dedurre la velocità alla quale una stella orbiterebbe a quelle distanze.

Sotto il modello dominante della cosmologia, chiamato Lambda CDM, la materia oscura si raggruppa in enormi masse nel cosmo, e l'attrazione gravitazionale di queste masse attira la materia visibile, che va a formare una galassia (SN: 4/4/24). Osservazioni precedenti hanno stabilito che questi agglomerati simili a aloni si estendono fino ad almeno 300.000 anni luce dal centro di una galassia. Oltre quel bordo, le velocità di rotazione delle stelle dovrebbero iniziare a rallentare.

Eppure, utilizzando i loro dati di lenti gravitazionali, Mistele e i suoi colleghi hanno calcolato che una stella situata a un milione di anni luce dal centro di ciascuna galassia, e potenzialmente fino a 3 miliardi di anni luce di distanza, ruoterebbe ancora troppo velocemente data sia la materia visibile che quella oscura ritenute presenti nella galassia.

Significa che c'è ancora più materiale invisibile di quanto si pensasse prima? Forse no.

Una teoria rivale alla Lambda CDM, nota come dinamiche newtoniane modificate, o MOND, elimina completamente il concetto di materia oscura e suggerisce invece che la gravità si comporti diversamente su scala galattica (SN: 3/28/18). Lunga sostenitrice del coautore di Mistele, Stacy McGaugh, anche lei di Case Western, MOND prevede specificamente i tipi di osservazioni trovate nello studio.

Ma la Lambda CDM non è ancora fuori combattimento.

“Penso che sia davvero un azzardo dire che si può fare a meno della materia oscura, perché le linee di evidenza [a suo favore] sono così numerose,” dice Bhuvnesh Jain, un cosmologo presso l'Università della Pennsylvania.

Ad esempio, la crescita delle strutture su larga scala nell'universo dal Big Bang è spiegata molto meglio dalla Lambda CDM rispetto alla MOND. Jain suggerisce che forse ci sono idee ancora più esotiche nei modelli matematici della gravità, ispirati dal pensiero multidimensionale trovato nella teoria delle stringhe, che potrebbero spiegare l'attuale struttura su larga scala dell'universo. Alcune varianti di tali idee potrebbero essere in grado di spiegare i dati di Mistele e dei suoi colleghi pur rivedendo anche il ruolo della materia oscura.

Le osservazioni del satellite Euclid dell'Agenzia Spaziale Europea, lanciato l'anno scorso, presto forniranno ai ricercatori dati sulle lenti gravitazionali di gran lunga migliori, potenzialmente aiutando a districare ciò che sta accadendo con questo strano mistero.