Dicono che c'è la materia più oscura nell'universo (se parliamo di materia in generale). Eppure nella vita di tutti i giorni praticamente non lo incontriamo. Sappiamo che il sole - l'oggetto più massiccio del sistema solare - è fatto di materia ordinaria (protoni, neutroni ed elettroni), ma ci sono molte altre fonti, inclusi pianeti, gas, polvere, plasma e resti di stelle. La materia oscura non è tra queste e nemmeno il Modello Standard ne descrive le particelle. Naturalmente, la materia oscura non è l'unico modo per spiegare i fenomeni gravitazionali osservati nell'Universo. Un'altra opzione è modificare la teoria della gravità, cosa che molti hanno già provato a fare. Ciò ha dato origine all'idea della Modified Newtonian Dynamics (MOND) e di altre teorie, che sono ancora alternative popolari alla materia oscura.
Per iniziare da qualche parte, dobbiamo tornare indietro al 1800 e parlare di un problema che esisteva molto prima della "massa mancante" (o "luce mancante") che la materia oscura e la MOND stanno cercando di risolvere: il problema Urano-Mercurio. La legge di gravitazione di Newton, introdotta da Newton nel 1600, ha avuto un incredibile successo nel descrivere tutto - per quanto ne sappiamo - è stato applicato. Dal movimento dei proiettili agli oggetti rotolanti; dal peso degli oggetti al ticchettio di un orologio a pendolo; dalla galleggiabilità di una barca all'orbita della luna intorno alla terra, la gravità di Newton non è mai venuta meno.
Le tre leggi di Keplero, un caso speciale della formula gravitazionale di Newton, applicata a tutti i pianeti conosciuti nella stessa misura:
1. I pianeti si muovono in ellissi con il Sole in uno dei fuochi.
2. Ogni pianeta si muove su un piano che passa per il centro del Sole, e per intervalli di tempo uguali il vettore del raggio che collega il Sole e il pianeta descrive aree uguali.
3. I quadrati dei periodi di rivoluzione dei pianeti attorno al Sole sono indicati come cubi dei semiassi maggiori delle orbite dei pianeti.
I mondi interni ed esterni conosciuti obbedivano tutti a queste leggi, così che non furono rilevate deviazioni per centinaia di anni. Ma con la scoperta di Urano nel 1781, qualcosa è cambiato. Mentre l'ultimo dei pianeti scoperti si muoveva in un'ellisse attorno al Sole, si muoveva a una velocità sbagliata rispetto alle leggi di gravità previste.
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Nei primi 20 anni dalla sua apertura si è mosso più velocemente, ogni notte e ogni anno, di quanto dettato dalle leggi. Nei successivi 20-25 anni, il pianeta si è mosso in stretta conformità con le leggi. Ma poi ha rallentato e la velocità è scesa al di sotto del previsto.
C'è stato un errore nella legge di gravitazione? Può essere. Ma è anche possibile che ci fosse un po 'più di materia - qualcosa di invisibile, materia oscura - che stava influenzando Urano, causando disturbi nella sua orbita. Questo è più come la verità. Dopo la guerra teorica tra Urbain Le Verrier e John Coach Adams, che lavorò in modo indipendente e fece previsioni sulla posizione del nuovo pianeta, le previsioni di Le Verrier furono confermate da Johann Halle e dal suo assistente Heinrich d'Arre il 23 settembre 1846. Fu scoperto il pianeta Nettuno, il primo oggetto la cui esistenza fu dedotta dagli effetti della sua massa: l'influenza gravitazionale.
D'altra parte, il pianeta interno Mercurio, grazie alla maggiore accuratezza delle osservazioni e in combinazione con dati secolari, iniziò a mostrare una violazione ancora più strana delle leggi di gravità. Se le leggi di Keplero predissero che i pianeti dovrebbero muoversi in ellissi ideali con il Sole in uno dei fuochi, allora a condizione che non ci siano altre masse che violano o influenzano il sistema. Ma non ci sono masse intorno e Mercurio non si muove lungo un'ellisse perfetta. La sua ellisse procede nel tempo.
Usando le leggi di gravità di Newton, potremmo prendere in considerazione l'influenza di tutti i pianeti conosciuti (incluso Nettuno). Dopo aver fatto tutto ciò, scopriremmo che rimane una leggera discrepanza tra il previsto e l'osservato: una precessione di 43 per secolo, o 0,012 gradi per secolo. Ma questo non è stato un incidente.
Qual è la spiegazione questa volta? Questa nuova massa invisibile è collegata con l'interno di Mercurio? O il vero problema si è insinuato nella legge di gravità? Una ricerca approfondita di una risposta a questa domanda ha portato a un nuovo teorico pianeta Vulcano, che avrebbe dovuto essere più vicino al Sole di tutti gli altri. Ma nessun Vulcaniano è stato trovato. La soluzione arrivò nel 1915, quando Einstein delineò la sua teoria della relatività generale.
Ora saltiamo il tempo fino agli anni '70, fino a una serie di osservazioni scientifiche di Vera Rubin. Osserviamo le singole galassie, in particolare le galassie edge-on, e misuriamo i loro profili di velocità. Guardiamo un lato della galassia e vediamo che si sta muovendo verso di noi (con spostamento blu), guardiamo l'altro - si sta allontanando da noi (con spostamento verso il rosso), ed è così che determiniamo la rotazione della galassia. Cosa ci aspettiamo da loro? Come il nostro sistema solare, le stelle interne devono ruotare più velocemente e più è lontana dal centro, minore deve essere la velocità. Ma non è quello che troviamo.
Invece, la velocità di rotazione di ogni singola galassia rimane costante indipendentemente dalla distanza. Perché? Ancora una volta, ci sono due opzioni: o le leggi di gravità devono essere migliorate, oppure dobbiamo presumere l'esistenza di una massa in eccesso invisibile.
MOND fu notato per la prima volta da Moti Milgrom nel 1981, il quale osservò che se cambiassimo la legge di gravità a accelerazioni molto basse - qualcosa come frazioni di nanometro al secondo quadrato - potremmo spiegare queste curve di rotazione. Inoltre, la stessa modifica, singola e consistente, potrebbe spiegare la rotazione di tutte le galassie, dalla più piccola alla più grande. MOND lo fa ancora e lo fa bene.
La materia oscura, d'altra parte, suggerisce che oltre alle normali particelle del Modello Standard e alla materia ordinaria di "protoni, neutroni ed elettroni" che costituiscono quasi tutto ciò che sappiamo, esiste un nuovo tipo di materia. Per spiegare il fenomeno rotazionale, è stato proposto di introdurre un grande alone di materia che non interagisce con la luce, ma non si attacca e non interagisce con la materia ordinaria, se non gravitazionalmente. Questa era l'idea della materia oscura.
La materia oscura può spiegare queste curve di rotazione, ma non lo fa bene come MOND. Le simulazioni numeriche per gli aloni, che producono anche i modelli di materia oscura più semplici, non corrispondono alle osservazioni; gli aloni sono troppo "abbattuti" al centro e troppo "soffici" in periferia. (Da un punto di vista tecnico sembrano essere più isotermiche del previsto). In breve, all'inizio MOND era il chiaro leader.
Ma lì, inoltre, iniziò l'intero Universo. Quando proponi una nuova teoria per sostituire una vecchia - come la relatività generale ha sostituito le leggi di Newton - la tua teoria deve soddisfare tre principi:
1. Deve riprodurre il pieno successo della precedente teoria principale.
2. Deve spiegare con successo il nuovo fenomeno (o fenomeni) per cui è stato creato.
3. E deve fare nuove previsioni che saranno verificate sperimentalmente o osservazionalmente, confermate o confutate, in modo che siano uniche per la nuova teoria.
Stiamo parlando di tutti i successi della precedente teoria principale, e sono numerosi.
C'è una curvatura gravitazionale della luce stellare dovuta a lenti gravitazionali di massa, forti e deboli. C'è l'effetto Shapiro. C'è dilatazione del tempo gravitazionale e spostamento verso il rosso gravitazionale. C'è il concetto del Big Bang e il concetto di un universo in espansione. Ci sono movimenti di galassie all'interno degli ammassi e raggruppamenti delle galassie stesse su scale maggiori.
Nel caso di tutti questi esempi - tutti - MOND subisce una sconfitta schiacciante, non offrendo previsioni o facendo previsioni frustrantemente incoerenti con i dati disponibili. Puoi giustamente sottolineare che MOND non è mai stato inteso come una teoria completa, ma piuttosto una descrizione di un fenomeno che potrebbe portare a una teoria più completa. Molte persone stanno lavorando a un'estensione MOND che potrebbe spiegare queste osservazioni, ma senza alcun risultato.
Ma se continui la legge di gravità di Einstein e aggiungi solo un nuovo ingrediente, la materia oscura fredda, puoi spiegare tutto, comprese alcune nuove sfumature insolite.
Puoi spiegare il modello di raggruppamento che si osserva nella struttura su larga scala dell'universo se hai cinque volte più materia oscura della materia normale.
E ciò che è ancora più impressionante è che puoi fare una previsione completamente nuova: quando due ammassi di galassie si scontrano, il gas al loro interno si riscalda, rallenta ed emette raggi X, mentre la massa che vediamo con le lenti gravitazionali segue la materia oscura e viene sostituita dai raggi X. Questa nuova previsione è stata confermata sperimentalmente e dura ormai da dieci anni, fornendo una conferma indiretta dell'esistenza della materia oscura.
MOND ha il vantaggio di spiegare le curve di rotazione galattica meglio della materia oscura. Ma questa non è una teoria fisica e non si adatta al set completo di osservazioni che abbiamo. La materia oscura esiste - almeno in teoria - perché ci dà lo stesso universo, coerente, senza alcuna modifica.
Ma gli attuali fallimenti di MOND, cosmologici, lo collocano al di sotto della materia oscura. Lascia che riproduca tutti i successi della relatività generale, spieghi nuovi fenomeni, faccia previsioni che possano essere confermate - e gli scienziati si convertiranno senza dubbio a una nuova fede. Dopotutto, sono buoni scienziati.
