Materia oscura: gli scienziati suggeriscono una nuova teoria della gravità

Un team di ricercatori suggerisce che la cosiddetta dinamica newtoniana modificata potrebbe essere una teoria alternativa migliore della gravità rispetto a quella della materia oscura. Possiamo modellare i movimenti dei pianeti nel Sistema Solare in modo abbastanza accurato usando le leggi della fisica di Newton. Ma all’inizio degli anni ’70, gli scienziati hanno notato che non funzionava per le galassie a disco: le stelle ai loro bordi, lontane dall’attrazione gravitazionale di tutta la materia al loro centro, si muovevano molto più velocemente di quanto previsto dalla teoria di Newton.

Ciò ha portato i fisici a proporre che una sostanza invisibile chiamata materia oscura stesse fornendo una forza gravitazionale aggiuntiva, provocando l’accelerazione delle stelle, una teoria che è diventata estremamente popolare.

Tuttavia, in una revisione della letteratura recentemente pubblicata sulla rivista scientifica Symmetry, i ricercatori suggeriscono che le osservazioni su un’ampia gamma di scale sono spiegate molto meglio in una teoria alternativa della gravità proposta dal fisico israeliano Mordehai Milgrom nel 1982 chiamata dinamica newtoniana modificata o MOND. Ciò non richiede materia invisibile.

La dinamica newtoniana modificata

MOND sostiene che quando la gravità diventa molto debole, come accade ai margini delle galassie, si comporta in modo diverso dalla fisica newtoniana. In questo modo è possibile spiegare perché stelle, pianeti e gas nelle vicinanze di più di 150 galassie ruotano più velocemente del previsto basandosi solo sulla loro massa visibile. Ma MOND non si limita a spiegare queste curve di rotazione, in molti casi le prevede.

I filosofi della scienza hanno sostenuto che questo potere predittivo rende MOND superiore al modello cosmologico standard, che propone che nell’universo ci sia più materia oscura che visibile. Questo perché, secondo questo modello, le galassie hanno una quantità altamente incerta di materia oscura che dipende dai dettagli di come si è formata la galassia, cosa che non sempre sappiamo. Ciò rende impossibile prevedere quanto velocemente dovrebbero ruotare le galassie. Ma queste previsioni vengono fatte regolarmente con MOND e finora sono state confermate.

Immagina di conoscere la distribuzione della massa visibile in una galassia, ma non ne conosciamo ancora la velocità di rotazione. Nel modello cosmologico standard, sarebbe solo possibile affermare con una certa sicurezza che la velocità di rotazione sarà compresa tra 100 km/s e 300 km/s alla periferia. MOND fa una previsione più precisa che la velocità di rotazione dovrebbe essere nell’intervallo di 180-190 km/s.

Se osservazioni successive rivelano una velocità di rotazione di 188 km/s, ciò è coerente con entrambe le teorie, ma chiaramente è preferibile MOND. Questa è una versione moderna del rasoio di Occam, in cui la soluzione più semplice è preferibile a quelle più complesse, nel qual caso dobbiamo spiegare le osservazioni con il minor numero possibile di “parametri liberi”.

I parametri liberi sono costanti: certi numeri che dobbiamo inserire nelle equazioni per farli funzionare. Ma questi parametri non sono dati dalla teoria stessa – non c’è motivo per cui abbiano un valore particolare – quindi dobbiamo misurarli osservativamente.

I ricercatori hanno introdotto un concetto noto come “flessibilità teorica” ​​per catturare l’idea di fondo del rasoio di Occam secondo cui una teoria con parametri più liberi è coerente con una gamma più ampia di dati, rendendola più complessa. Nella nuova analisi, gli scienziati hanno utilizzato questo concetto per testare il modello cosmologico standard e il MOND rispetto a varie osservazioni astronomiche, come la rotazione delle galassie ei movimenti all’interno degli ammassi di galassie.

Ogni volta, hanno assegnato un punteggio di flessibilità teorica compreso tra –2 e 2. Un punteggio di –2 indica che un modello effettua una previsione chiara e accurata senza esaminare i dati. D’altra parte, 2 implica “tutto va bene” – i teorici sarebbero stati in grado di adattarsi a quasi tutti i risultati osservazionali plausibili (perché ci sono così tanti parametri liberi).

Hanno anche valutato quanto bene ciascun modello corrisponde alle osservazioni, con 2 che indica un eccellente accordo e -2 riservato alle osservazioni che mostrano chiaramente che la teoria è sbagliata. Hanno quindi sottratto il punteggio di flessibilità teorica dall’accordo con le osservazioni. Una buona teoria farebbe previsioni chiare che verranno successivamente confermate, ottenendo idealmente un punteggio combinato di 4 in molti test diversi. Una teoria sbagliata riceverebbe un punteggio compreso tra 0 e -4 . In questo caso, previsioni accurate fallirebbero: è improbabile che funzionino con la fisica sbagliata.

Gli scienziati hanno trovato un punteggio medio per il modello cosmologico standard di -0,25 in 32 test , mentre MOND ha ottenuto una media di 1,69 in 29 test. Ci sono molti altri difetti nel modello cosmologico standard che sono stati studiati in questa revisione della letteratura, con MOND spesso in grado di spiegare naturalmente le osservazioni.

Il motivo per cui il modello cosmologico standard è, tuttavia, così popolare potrebbe essere correlato a errori computazionali o a una conoscenza limitata dei suoi difetti, alcuni dei quali sono stati scoperti di recente. Potrebbe anche essere dovuto alla riluttanza delle persone ad adattare una teoria della gravità che ha avuto così tanto successo in molte altre aree della fisica.

L’enorme vantaggio di MOND rispetto al modello cosmologico standard nel nuovo studio ha portato i ricercatori a concludere che MOND è fortemente favorito dalle osservazioni disponibili. Sebbene non affermino che MOND sia perfetto, gli scienziati pensano di ottenere il punteggio generale giusto: le galassie sono davvero prive di materia oscura.