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La materia oscura: ipotesi o certezza? i motivi per cui non credo nella sua esistenza

Foto in evidenza disponibile nell’archivio NASA a questo link. Foto rilasciata con licenza CC0.


C’era una volta un Universo in espansione e delle persone su un pianeta insignificante che con le loro deduzioni logiche tentavano di spiegarne il funzionamento. Un bel giorno si resero conto che calcolando la massa di quell’Universo non c’era abbastanza gravità per tenerlo in piedi. Le galassie avrebbero dovuto disgregarsi. Quindi per spiegare questo fenomeno avevano bisogno di più gravità e letteralmente se la inventarono. Si inventarono la materia oscura, ovvero un particolare tipo di materia che non ha massa ma ha gravità e che tiene in piedi la baracca.
Questa è la storia della materia oscura e io devo dire che non mi ha mai convinto. Secondo i modelli degli scienziati, le galassie in rotazione dovrebbero disgregarsi perché la differenza di velocità di rotazione delle stelle attorno al centro e in periferia dovrebbe impedire la formazione di strutture ordinate che ruotano come fossero un corpo unico. Il grafico qui sotto dovrebbe aiutare a capire. Indicando con v la velocità di rotazione delle stelle attorno al centro della galassia e con r la distanza di quelle stelle dal centro, l’andamento calcolato con la teoria attualmente disponibile è discorde rispetto a quello osservato. Le stelle periferiche quindi si muoverebbero praticamente alla stessa velocità di quelle più vicine al centro galattico e questo non torna con le equazioni del modello.

Una galassia che ruota come il profilo rosso del grafico ruota praticamente come se fosse un unico corpo rigido; una galassia che ruota come il profilo blu tratteggiato invece ha le stelle in periferia più lente rispetto alle stelle centrali. Questo porterebbe alla disgregazione delle strutture delle galassie (tipo i bracci delle galassie a spirale per esempio).

Spesso hanno fatto vedere in televisione le immagini di queste galassie che sul computer letteralmente si smembrano dopo qualche rotazione (considerate che un rotazione della spirale abbraccia un periodo di circa 50 milioni di anni). Gli scienziati conclusero che “mancava della massa” a tenere in piedi il modello e questo doveva essere giustificato dall’esistenza (fino ad allora non considerata) di una particolare sostanza chiamata “materia oscura” che sarebbe invisibile perché non emetterebbe radiazioni elettromagnetiche, ma allo stesso tempo sarebbe influente a livello gravitazionale perché dotata di gravità. Fatta questa assunzione nel modello, il modello stesso riprese a funzionare.

Anche altri fenomeni avrebbero indotto gli scienziati a formulare questa ipotesi della materia oscura. In particolare secondo i calcoli effettuati la materia visibile non sarebbe sufficiente a giustificare il fenomeno delle lenti gravitazionali (ovvero delle immagini distorte a causa della luce che per giungere fino a noi passa vicino ad una fonte di gravità). Questo risultava strano soprattutto in punti dove non si osservava massa esistente. Fu sviluppato quindi un modello cosmologico che è finito per diventare mainstream, chiamato L-CDM (acronimo di Lambda–Cold Dark Matter). 

Come approccio in realtà è piuttosto empirico e dal mio punto di vista può anche sembrare quasi più ingegneristico che fisico. Certo è che in qualche modo bisognava fare dei passi avanti e questi prevedono anche l’errore, anche perchè a fronte di una scoperta così importante come quella dell’Universo in accelerazione non si poteva far finta di niente. Per quanto mi riguarda voglio mostrare per quali motivi secondo me la teoria della materia oscura è un binario morto.

Per poter seguire questo discorso bisogna prima comprendere un concetto chiave della cosmologia. La massa e l’energia in realtà non sono altro che due forme equivalenti della stessa cosa. La massa può essere convertita in energia e viceversa. Questo è alla base della più famosa equazione di Einstein. Ha dunque senso porsi il
problema di quanta massa-energia sia presente attualmente nell’Universo. Per farla breve, quello che gli astronomi rilevarono all’inizio del secolo scorso è che l’Universo è in espansione e poiché è in espansione deve esserci stato un momento in cui aveva una dimensione minima (il Big Bang). Scoperto questo nacquero subito dei modelli predittivi sul suo futuro. Si pensava che il suo destino dipendesse dalla massa e dalla gravità in esso contenuta: a fronte dell’esplosione iniziale (cioè del Big Bang), se ci fosse stata troppa massa l’Universo si sarebbe contratto su se stesso, mentre se ce ne fosse stata troppo poca avrebbe continuato ad espandersi. All’epoca però si riteneva che, siccome l’esplosione iniziale è avvenuta in un arco di tempo delimitato, la spinta iniziale doveva essere terminata da tempo e quindi l’Universo non avrebbe dovuto accelerare nella sua espansione. Ancora una volta la scienza era in errore: uno studio effettuato da Saul Perlmutter nel 1998 mostrò che in realtà l’Universo sta accelerando la sua espansione. Quindi non solo sembra non esserci abbastanza massa per giustificare il fatto che le galassie conservino le proprie strutture, ma sembra esserci qualcosa che spinga l’Universo ad espandersi sempre più velocemente. Questa misteriosa energia fu chiamata energia oscura e non ha niente a che vedere con la materia oscura. Quindi in meno di un secolo si è passati da una teoria di Universo statico sicuramente errata ad un caos di teorie in cui non è ancora oggi possibile stabilire quale abbia effettivamente ragione. Il modello mainstream è divenuto tale, a mio avviso, senza l’esistenza di prove schiaccianti. Anzi, più si va avanti con le scoperte scientifiche e più mi sembra di notare un vacillamento dei fondamenti di questa teoria. Nel 2013 girava spesso questo grafico (le percentuali sono relative ai calcoli dell’epoca):


In pratica dai calcoli risultava che, considerando il totale di massa ed energia presenti nell’universo (che come accennato in precedenza sono la stessa cosa), circa il 70% di essa sarebbe energia oscura (quindi qualcosa di completamente sconosciuto). Il restante 30% sarebbe materia, di cui solo il 5% direttamente osservabile (materia ordinaria): il resto sarebbe materia oscura e non sarebbe stata mai osservata né provata, ma la sua presunta esistenza giustificherebbe i modelli matematici sottesi. Questo è alla base del modello L-CDM. 

Ora, in realtà non tutta la comunità scientifica è in accordo con l’energia oscura (ad esempio Roger Penrose non è d’accordo e giustifica l’accelerazione dell’universo in altro modo [1]), né tantomeno con la materia oscura. Io personalmente sono un forte sostenitore della teoria della cosmologia ciclica conforme (CCC) di Roger Penrose e Vahe Gurzadyan, per cui sono anche io restio al concetto di energia oscura per come attualmente formulato. Tra l’altro ciò che mi è sembrato di percepire è che siano passati quasi in sordina degli studi interessanti che metterebbero in crisi l’apparato che sostiene la materia oscura.

Ad esempio è stato recentemente pubblicato uno studio [2] in cui è stata riprodotta una condizione di collasso gravitazionale di una nube ellissoidale di particelle isolate, dando loro una piccola velocità di rotazione iniziale. A seguito del collasso si sono formate strutture simili a galassie a spirale, con i bracci della spirale che non orbitavano come fanno i pianeti intorno al Sole (cioè obbedendo alle leggi di Kepler) ma obbedendo ad una dinamica fuori dall’equilibrio. Nella fattispecie la combinazione di moti radiali e circolari finiva per formare e tenere in piedi i bracci della spirale. L’eventuale conferma empirica di un modello di questo tipo potrebbe mettere in discussione il discorso del grafico delle velocità delle stelle.

Per quanto riguarda in generale il discorso della “massa mancante”, si può obiettare dal mio punto di vista che semplicemente noi facciamo i nostri calcoli su quello che siamo in grado di osservare. Per esempio noi siamo in grado di rilevare degli oggetti distanti anche 13 miliardi di anni luce ma non sappiamo dire se esistano solo quelli. Anzi, a quanto pare le stime sulla quantità di galassie presenti nell’Universo sono state pesantemente riviste negli ultimi tempi. Infatti mentre nel 2003/2004 le stime dell’Ultra Deep Field parlavano di circa 200 miliardi di galassie, uno studio del 2016 pubblicato sul The Astrophysical Journal [3] ha rivisto queste stime portando il numero di galassie a 2.000 miliardi (quindi 10 volte in più di quanto ipotizzato in precedenza). Questo risultato è stato ottenuto attraverso un accurata indagine effettuata sulle immagini di campo profondo del telescopio spaziale Hubble. Quindi la materia nell’Universo osservabile non rappresenterebbe più soltanto il 5% del totale ma molto di più. E stiamo parlando solo di oggetti che emettono luce. Potrebbero esserci, per quanto ne sappiamo, vallate di buchi neri inattivi in regioni in cui è apparentemente assente la materia (sarebbe meglio dire “dove è inosservabile”).

Altri studi propongono teorie e modelli che non hanno bisogno del concetto di materia oscura per spiegare per quali motivi osserviamo certe dinamiche. Uno di questi è lo studio del 2017 di André Maeder [4] sulla revisione del concetto di invarianza di scala dello spazio vuoto (in altre parole il fatto che lo spazio vuoto e le sue proprietà non cambiano in seguito a una dilatazione o una contrazione). In questo modello non c’è la
necessità di introdurre l’energia oscura per spiegare l’accelerazione dell’espansione dell’Universo o la necessità di introdurre la materia oscura per spiegare il motivo per cui le galassie non si disgregano durante la rotazione.

Complessivamente quindi sono estremamente scettico sull’esistenza della materia oscura. Tuttavia da uomo di scienza non posso fare altro che ricredermi qualora venisse dimostrata la sua esistenza e sostenere che mi sia sbagliato. Al momento però l’assenza di prove concrete e i continui studi/scoperte che sembrano confutarla mi spingono a non condividere questa teoria.

BIBLIOGRAFIA E FONTI

[1]   Roger Penrose (2006), Before the Big Bang: An Outrageous New Perspective and its Implications for Particle Physics

[2]   David Benhaiem, Michael Joyce & Francesco Sylos Labini (2018), Transient Spiral Arms from Far Outof-equilibrium Gravitational Evolution

[3]   Christopher J. Conselice, Aaron Wilkinson, Kenneth Duncan & Alice Mortlock (2016), The Evolution of Galaxy Number Density at z < 8 and its Implications

[4]   André Maeder (2017), Dynamical Effects of the Scale Invariance of the Empty Space: The Fall of Dark Matter?

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