In ottobre, LIGO e la sua controparte europea, VIRGO, hanno assistito a onde gravitazionali che si propagano da una collisione mozzafiato tra due stelle di neutroni. Questo evento senza precedenti sembrava un ennesimo trionfo per un nuovo tipo di astronomia, che poteva usare le onde gravitazionali per sondare alcuni dei misteri più profondi dell'universo. Ma in tutta l'eccitazione, la maggior parte delle persone non ha notato che qualcosa era morto: un intero gruppo di teorie che sostengono un universo senza materia oscura.
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Esatto: una conseguenza meno nota delle notizie di LIGO è che potremmo vedere un significativo rimodellamento del dibattito sulla materia oscura, il materiale che sembra attrarre gravitazionalmente il materiale visibile e lo spazio di piegatura, ma non può essere visto . Secondo un articolo pubblicato sul server di prestampa ArXiv da Richard Woodard, professore di fisica presso l'Università della Florida, la recente osservazione annulla una classe di teorie che hanno cercato di spiegare il comportamento della gravità su scale delle dimensioni di una galassia senza materia oscura.
Woodard osserva che alcune di quelle teorie, note come gravità modificata (MOG) o dinamica newtoniana modificata (MOND), prevedono che le onde gravitazionali e le onde luminose arriverebbero in momenti diversi. Eppure LIGO ha raccolto le onde gravitazionali e la luce da due stelle di neutroni in collisione a circa 2 secondi l'una dall'altra. Poiché la fonte di entrambi era a 130 milioni di anni luce di distanza, questa è una differenza di solo 1 parte in circa 1, 5 quadrilioni. In sostanza, sono arrivati allo stesso tempo.
Il tipo di modelli di cui parla Woodard - che chiama "emulatori di materia oscura" - tenta di duplicare gli effetti della materia oscura, supponendo che la gravità si comporti in modo diverso da quello che molti scienziati pensano. "Il nostro documento sicuramente non esclude tutti i modelli di gravità modificati che eliminano la materia oscura", ha chiarito Woodard. "Si applica solo alla grande classe di loro."
Eppure, sebbene possano aver subito un duro colpo, i teorici della materia oscura non stanno andando giù senza combattere.
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Nella teoria della relatività generale di Albert Einstein, lo spazio è curvo da oggetti enormi. Un raggio di fotoni, altrimenti noto come luce, percorre la distanza più breve tra due punti (che non è sempre una linea retta). La relatività generale dice che le onde gravitazionali e la luce si muovono sulle stesse linee o metriche.
Ma mentre la relatività generale è stata confermata negli ultimi tempi, non è l'ultima parola. Alcune teorie alternative della gravità avevano onde gravitazionali che si muovevano su un percorso diverso, o metrico, dalla luce. Per ottenere questo effetto, una teoria della gravità modificata dovrebbe supporre che i percorsi delle onde gravitazionali siano influenzati solo dalla materia visibile che vediamo, mentre la luce (fotoni) sarebbe influenzata dalla materia visibile e da qualsiasi effetto duplicato che assomigli alla materia oscura.
In quello scenario, le onde e la luce gravitazionali sarebbero arrivate in tempi molto diversi. Ma dal momento che LIGO ha visto entrambi arrivare così vicini l'uno all'altro, sembra una potente prova che la gravità funziona come dice la teoria di Einstein, il che a sua volta rafforzerebbe il caso della materia oscura.
Tuttavia, molto prima di LIGO, alcuni fisici non erano soddisfatti della materia oscura e inventarono altre teorie che cercavano di spiegare ciò che vedono gli astronomi. Una serie di teorie è nota come gravità tensore-vettoriale-scalare (TeVeS), che aggiunge un ulteriore campo alla gravità. Sviluppato da Jacob Bekenstein nel 2004, era già sotto il fuoco perché sembrava richiedere neutrini più massicci di quanto i fisici hanno stimato finora e non sempre produceva stelle stabili. Scalar-Tensor-Vector-Gravity (STVG) aggiunge anche un altro campo, sebbene in modo diverso da TeVeS. La teoria dice che la gravità diventa più forte man mano che si sale dal sistema solare alle galassie e quindi ai cluster di galassie. Sono quelle due classi di teorie che Woodard afferma siano escluse dagli ultimi dati.
Penseresti che i fisici finalmente accetterebbero che la materia oscura è là fuori, in qualunque forma possa essere. Destra? Bene, i sostenitori della gravità modificata dicono di non aver ancora finito.
John Moffat, ricercatore presso il Perimeter Institute di Waterloo, in Canada, afferma che Woodard ha semplicemente interpretato male la sua teoria. "Non forniscono spiegazioni sul perché il mio MOG sia falsificato", ha detto in una e-mail. "È vero che queste teorie MOND sono escluse dai dati sulla fusione delle stelle di neutroni. Pertanto, sembra che il mio MOG sia l'unica teoria gravitazionale sopravvissuta in grado di spiegare la galassia, i dati del cluster di galassie e i dati della cosmologia senza rilevabile materia oscura nell'universo attuale ". Moffat afferma che la sua teoria in effetti prevede che la luce e le onde gravitazionali arriveranno allo stesso tempo.
"Il modo migliore per interpretare questo risultato non è come dimostrare che la materia oscura è corretta, ma piuttosto come limitare il modo in cui le teorie della gravità modificate devono essere costruite se cercano di rinunciare a esso", ha detto Woodard.
Percorsi diversi
Negli anni '70, la tarda astronoma Vera Rubin, allora alla Carnegie Institution, scoprì che quella materia visibile non si muoveva più lentamente man mano che si esce dal centro galattico (il modo in cui i pianeti si muovono più lentamente quando ci si allontana dal sole). A un certo punto tutto si muoveva alla stessa velocità. O c'era molta massa diffusa intorno alle galassie che non potevamo vedere, o la gravità si comportava in modi che prima non erano evidenti.
Le prime spiegazioni per la materia invisibile includevano: gas, pianeti canaglia, neutrini e persino buchi neri. Alla fine tutti furono scartati a favore dell'attuale concezione della materia oscura come fatta di qualcosa che interagiva solo attraverso la gravità.
Eppure alcuni fisici ritenevano che l'idea della materia oscura fosse troppo conveniente, qualcosa inventato solo per far funzionare la matematica. Forse la gravità ha funzionato diversamente su scale diverse e la relatività generale semplicemente non ha tenuto conto di ciò, hanno teorizzato.
Mordehai Milgrom, professore emerito al Weizmann Institute of Science in Israele, fu uno dei primi teorici del MOND, avendo proposto la sua versione negli anni '80. Al suo centro, la sua teoria propone che le dinamiche gravitazionali cambino quando le accelerazioni dovute alla forza gravitazionale scendono al di sotto di un certo limite. Suppone anche che la gravità e la luce viaggino su metriche diverse.
Nel loro insieme, queste teorie presentavano, se non una minaccia seria, almeno le intimazioni di problemi con la materia oscura - fino ad ora. "
Dark Matter FTW
La materia oscura non ha semplicemente spiegato le curve di rotazione. Ha anche tenuto conto delle osservazioni dell'obiettivo gravitazionale: la flessione della luce da parte di oggetti enormi. Quando guardiamo alcune galassie distanti, vediamo oggetti dietro di loro come se attraverso una lente, per relatività generale. La luce è piegata da una quantità che non può essere spiegata dalla massa visibile. Questa era un'altra prova per la materia oscura (o qualcosa del genere).
La materia oscura può anche spiegare perché lo sfondo cosmico a microonde sembra così: è uniforme in media, ma su scale più piccole è scomoda, come ci si aspetterebbe in un universo di materia oscura. "Una delle cose di cui l'alternativa ai teorici della materia oscura non parla mai è che se non si ha materia oscura non si ottengono protuberanze nel [fondo cosmico a microonde]", afferma Will Kinney, professore di fisica presso la Università di Buffalo. "Per quanto ne so, nessuna delle teorie alternative sulla materia oscura ha mai avuto alcuna spiegazione per i dossi nello spettro (fondo cosmico a microonde). Questo di per sé mi dice che quelle teorie non funzioneranno."
Un buon esempio è il cluster Bullet, una regione dello spazio in cui si scontrano due ammassi di galassie. Le osservazioni del cluster mostrano effetti di lente che non si allineano con la materia visibile in esso. Tuttavia, se si presume che la materia oscura sia presente ma che non si sia ancora stabilita attorno al cluster, allora la lente si adatta alla teoria della materia oscura, ha detto Kinney.
Il caso di MOND
Anche così, gli architetti della gravità modificata contrastano con i problemi che la materia oscura ha. Uno è un'anomalia attorno al Bullet Cluster, lo stesso che la maggior parte direbbe supporta la teoria della materia oscura. Secondo alcune osservazioni il Bullet Cluster sta accelerando troppo velocemente; anche supponendo che la materia oscura le velocità siano "sbagliate". Inoltre, la materia oscura predice le velocità di rotazione di alcune galassie meno bene della gravità modificata.
Inoltre, alcune galassie che sembrano avere materia meno visibile appaiono ancora più massicce. Ciò potrebbe essere dovuto a molta materia oscura, ma non c'è un motivo particolare che dovrebbe essere il caso. Le teorie MOND fanno meglio su quel punteggio. "MOND ha più potere predittivo. Uno può usarlo per prevedere la cinematica di galassie apparentemente dominate dalla materia oscura. Non puoi fare la stessa previsione con la materia oscura. Tutto quello che puoi dire è 'Scommetto che la galassia a bassa luminosità superficiale ha molto buio importa! "", ha dichiarato Stacy McGaugh, astrofisica della Case Western Reserve University, che ha lavorato su teorie della gravità modificate. "Questo si basava su esperienze precedenti, non sulla teoria, per le quali non esiste una previsione concordata."
Un altro problema è la distribuzione di detta materia. Milgrom nota che in quasi tutte le galassie finora osservate, le curve di rotazione hanno la stessa forma al punto in cui l'accelerazione dovuta alla gravità verso il centro è di circa un decimilionesimo di metro al secondo al quadrato (circa la stessa forza gravitazionale avvertita da qualcuno a due metri da un peso di 10 chilogrammi).
Se esiste la materia oscura, non ci si aspetterebbe che venga sempre distribuito proprio così. Sarebbe come andare in tutti i paesi della Terra e scoprire che la distribuzione del reddito era esattamente la stessa, nonostante le storie molto diverse che ogni paese ha.
"Nel paradigma della [materia oscura], le dinamiche odierne sono il risultato della storia complicata, cataclismica e inconoscibile della singola galassia in studio: su quante fusioni ha subito e quanto violente erano, sull'espulsione dei barioni da la galassia a causa di vari processi poco compresi, ecc. ", afferma. Le teorie MOND, ha aggiunto, fanno un lavoro migliore nel predire il movimento della galassia in questo senso.
Anche Milgrom, tuttavia, riconosce che ci sono alcune aree che le teorie MOND non prevedono anche, anche nelle loro versioni MOG relativistiche - non riproducendo il fondo cosmico a microonde osservato, per esempio. "Abbiamo bisogno di un'estensione di MOND che spiegherà la cosmologia. Questo è qualcosa su cui stiamo lavorando."
Sabine Hossenfelder, ricercatrice presso l'Istituto di studi avanzati di Francoforte in Germania, concorda sul fatto che l'osservazione di Woodard renderebbe obsoleti alcuni tipi di MOND o MOG, ma non è neppure convinto che la risposta sia la materia oscura. "È quasi certamente corretto che l'osservazione escluda le teorie con le ipotesi che elencano nel documento. Ma non è chiaro quale, se del caso, le teorie della gravità modificate soddisfino effettivamente le ipotesi", ha detto. Sul suo blog ha notato che la materia oscura funziona su tutte le scale, mentre la gravità modificata non funziona altrettanto bene per la cosmologia.
Ethan Siegel, un astrofisico e autore, ha detto che le probabilità sono che molti campi gravitazionali modificati siano annullati dalle osservazioni LIGO. Come Hossenfelder, crede che il problema per MOND siano le scale che descrive. "Moffat ha ragione: MOND fa meglio della materia oscura su scale galattiche. Se guardi le singole galassie e le loro proprietà dinamiche, MOND ha il vantaggio. MOND fallisce su tutte le scale diverse da quella, comunque." Alcune delle teorie di Milgrom, ha detto, potrebbero sopravvivere - se la tesi di Milgrom secondo cui la gravità obbedisce a regole diverse rispetto alla materia nell'universo è vera, per esempio. "Questa è una teoria che può ancora sopravvivere a questi risultati delle onde gravitazionali."
E nonostante il suo lavoro sulle alternative alla gravità, McGaugh ha detto che ci sono cose che solo la materia oscura può dare un senso. "Non vedo come spiegare lo sfondo di microonde cosmico o i cluster di galassie (tutti i cluster ricchi, non solo il cluster di proiettili) senza di essa", dice. "Ciò non significa che non possa accadere, ma al momento Non vedo altre spiegazioni valide ". Allo stesso tempo, non è ancora impegnato in nessuna delle due parti. "Né sono convincenti", dice.
In altre parole, aspettatevi che il dibattito continui a imperversare per il prossimo futuro, con la forza di due stelle di neutroni che si scontrano.
