galassia a spirale
La galassia a spirale barrata UGC 12158. Wikimedia, CC BY-SA
  • Categoria dell'articolo:Scienza
  • Ultima modifica dell'articolo:8 Luglio 2022

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 questo non funzionava perché  le galassie a disco – le stelle ai loro bordi esterni, lontane dalla forza gravitazionale di tutta la materia al loro centro – si muovevano molto più velocemente di quanto previsto dalla teoria di Newton.

Ciò ha indotto i fisici a proporre che una sostanza invisibile chiamata “materia oscura” stesse fornendo un’attrazione gravitazionale extra, facendo accelerare le stelle – una teoria che è diventata estremamente popolare. Tuttavia, in una recente recensione io e i miei colleghi suggeriamo che le osservazioni su una vasta gamma di scale sono spiegate molto meglio in una teoria alternativa della gravità proposta dal fisico israeliano Mordehai Milgrom nel 1982 chiamata Dinamica Milgromiana o Mond – che non richiede materia invisibile.

Il postulato principale di Mond è che quando la gravità diventa molto debole, come accade ai margini delle galassie, inizia a comportarsi in modo diverso dalla fisica newtoniana. In questo modo è possibile spiegare perché stelle, pianeti e gas alla periferia di oltre 150 galassie ruotano più velocemente del previsto basandosi solo sulla loro massa visibile. Ma Mond non si limita a spiegare tali curve di rotazione, in molti casi le prevede.

I filosofi della scienza hanno sostenuto che questo potere di predizione rende Mond superiore al modello cosmologico standard, che propone che nell’universo ci sia più materia oscura che materia 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 la velocità con cui le galassie dovrebbero ruotare. Ma tali previsioni vengono fatte regolarmente con Mond e finora sono state confermate.

Immagina di conoscere la distribuzione della massa visibile in una galassia ma di non conoscerne 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 in periferia. Mond fa una previsione più precisa che la velocità di rotazione deve essere compresa tra 180 e 190 km/s.

Se le osservazioni in seguito rivelano una velocità di rotazione di 188 km/s, allora questo è coerente con entrambe le teorie, ma chiaramente Mond è preferito. Questa è una versione moderna del rasoio di Occam: la soluzione più semplice è preferibile a quelle più complesse, in questo caso dovremmo spiegare le osservazioni con il minor numero possibile di “parametri liberi”. I parametri liberi sono costanti: determinati numeri che dobbiamo inserire nelle equazioni per farli funzionare. Ma non sono dati dalla teoria stessa – non c’è motivo per cui dovrebbero avere un valore particolare – quindi dobbiamo misurarli osservativamente. Un esempio è la costante di gravitazione, G, nella teoria della gravità di Newton o la quantità di materia oscura nelle galassie all’interno del modello cosmologico standard.

Abbiamo 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 nostra recensione, abbiamo utilizzato questo concetto quando abbiamo testato il modello cosmologico standard e Mond rispetto a varie osservazioni astronomiche, come la rotazione delle galassie e i movimenti all’interno degli ammassi di galassie.

Ogni volta, abbiamo assegnato un punteggio di flessibilità teorico compreso tra –2 e +2. Un punteggio di –2 indica che un modello effettua una previsione chiara e precisa senza dare un’occhiata ai dati. Al contrario, +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). Abbiamo anche valutato la corrispondenza di ciascun modello con le osservazioni, con +2 che indica un eccellente accordo e –2 riservato alle osservazioni che mostrano chiaramente che la teoria è sbagliata. Quindi sottraiamo il punteggio di flessibilità teorico da quello per l’accordo con le osservazioni, poiché abbinare bene i dati è buono, ma essere in grado di adattarsi a qualsiasi cosa è negativo.

Una buona teoria farebbe previsioni chiare che vengono successivamente confermate, ottenendo idealmente un punteggio combinato di +4 in molti test diversi (+2 -(-2) = +4). Una cattiva teoria otterrebbe un punteggio compreso tra 0 e -4 (-2 -(+2)= -4). Predizioni precise fallirebbero in questo caso: è improbabile che funzionino con la fisica sbagliata.

Abbiamo 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.

È immediatamente evidente che non sono stati identificati problemi di rilievo per Mond, che almeno plausibilmente concorda con tutti i dati.

I problemi con la materia oscura

Uno dei fallimenti più sorprendenti del modello cosmologico standard riguarda le “barre di galassie” – regioni luminose a forma di bastoncello fatte di stelle – che le galassie a spirale hanno spesso nelle loro regioni centrali (vedi immagine principale). Le barre ruotano nel tempo. Se le galassie fossero incorporate in enormi aloni di materia oscura, le loro barre rallenterebbero. Tuttavia, la maggior parte, se non tutte, le barre galattiche osservate sono veloci. Ciò falsifica il modello cosmologico standard con una confidenza molto elevata.

Un altro problema è che i modelli originali che suggerivano che le galassie avessero aloni di materia oscura hanno commesso un grosso errore: presumevano che le particelle di materia oscura fornissero gravità alla materia circostante, ma non fossero influenzate dall’attrazione gravitazionale della materia normale. Questo ha semplificato i calcoli, ma non riflette la realtà. Quando questo è stato preso in considerazione nelle successive simulazioni, è stato chiaro che gli aloni di materia oscura attorno alle galassie non spiegano in modo affidabile le loro proprietà.

Ci sono molti altri fallimenti del modello cosmologico standard che abbiamo studiato nella nostra recensione, con Mond spesso in grado di spiegare naturalmente le osservazioni. Il motivo per cui il modello cosmologico standard è comunque così popolare potrebbe essere dovuto a errori di calcolo o conoscenza limitata dei suoi fallimenti, alcuni dei quali sono stati scoperti abbastanza di recente. Potrebbe anche essere dovuto alla riluttanza delle persone a modificare 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 nostro studio ci ha portato a concludere che Mond è fortemente favorito dalle osservazioni disponibili. Anche se non affermiamo che Mond sia perfetto, pensiamo comunque che il quadro generale sia corretto: alle galassie manca davvero la materia oscura.

Autore

Indranil Banik, Università di St Andrews