domenica 15 aprile 2018

La prova della materia oscura è in una galassia senza materia oscura.

Tutto nasce da un recente articolo pubblicato su Nature: A galaxy lacking dark matter (una galassia a cui manca la materia oscura). L'articolo riporta la scoperta di una galassia nella costellazione del Dragone, che di nome fa NGC1052–DF2, e che dalle misure non sembra praticamente avere materia oscura al suo interno o attorno ad essa. Che uno direbbe "evabbè, magari può capitare, fra tante galassie". E invece, potrebbe essere che questa scoperta sia la prova più forte proprio a sostegno dell'esistenza della materia oscura.  Come è possibile? Perché proprio la mancanza di materia oscura in una galassia potrebbe costituire la prova della sua esistenza nell'universo?


NGC1052-DF2 viene chiamata anche "see-through galaxy", perché appare rarefatta in modo anomalo, e si possono vedere galassie molto più distanti attraverso di essa.

Facciamo un passo indietro. Cos'è la materia oscura? Già da circa 40 anni si è scoperto che il moto delle stelle attorno alle galassie non è quello che ci si aspetterebbe in base alla quantità di materia che si suppone essere presente nelle galassie tramite le emissioni elettromagnetiche. Le stelle, infatti, ci appaiono ruotare attorno alle galassie molto più velocemente del previsto, come se ci fosse molta più materia di quella che vediamo. E non solo, ma più ci allontaniamo dal centro della galassia, più questa differenza fra materia osservata e aspettata, cresce.

Ma perché una stella ruota attorno al centro della galassia? Risposta: per lo stesso motivo per cui la terra ruota attorno al sole: la forza di gravità. Il nostro sole, ad esempio, si trova a circa 30mila anni luce dal centro della Via Lattea, e ruota attorno al suo centro alla velocità di circa 220 Km/s, facendo un giro completo in circa 230 milioni di anni, milione più milione meno. Questo moto è dettato da tutta la massa che si trova compresa nella sfera di raggio pari alla distanza fra il sole e il centro della galassia. Tutta la materia al suo interno regola il moto del sole, in base alle leggi della gravitazione. E' la stessa cosa che succede alla terra, e che fa sì che essa ruoti attorno al sole: la massa compresa in una sfera di raggio pari alla distanza terra sole (e che sostanzialmente coincide con la massa del sole), regola il suo moto di rivoluzione. E se avete qualche dubbio, questa qua sotto è la velocità di rivoluzione dei pianeti attorno al sole, in funzione della loro distanza dal sole stesso, sovrapposta alla previsione data dalla legge di Newton, cioè la terza legge di Keplero.

Velocità di rivoluzione dei pianeti attorno al sole in funzione della loro distanza dal sole stesso. In blu la previsione della legge di Newton.


La stessa regola vale anche per le stelle dentro una galassia, che può essere vista come un mega sistema solare. Quindi, secondo la legge di Newton, la velocità di una qualunque stella attorno al centro della sua galassia dovrebbe decrescere con la distanza dal centro, così come avviene nel sistema solare.

E invece si osserva il contrario: misure effettuate su un numero molto grande di galassie mostrano inequivocabilmente che la velocità di rivoluzione delle stelle attorno al centro della galassia, qualunque sia la galassia a cui appartengono, differisce fortemente dalle previsioni della legge di Newton, come si vede dalla figura qua sotto.

Velocità di rotazione della galassia M33 in funzione della distanza dal centro. Dati osservati e andamento aspettato in base alla distribuzione di materia visibile.




Differisce come se nelle galassie ci fosse molta più materia di quella visibile e stimabile in termini di stelle e gas, ovvero tramite ciò che emette e assorbe onde elettromagnetiche. E soprattutto questa materia misteriosa deve essere presente in modo sostanzialmente diverso dalla materia ordinaria, e cioè essere distribuita in grandi aloni attorno alle galassie, in modo da spiegare l'andamento della velocità di rivoluzione delle stelle in funzione della distanza dal centro galattico.



Velocità di rotazione in alcune galassie, In rosso la via lattea, dove siamo noi. Tutte differiscono dalle previsioni in base alla distribuzione di materia visibile.
La quantità di materia invisibile presente negli aloni delle galassie è stimabile in base ai suoi effetti gravitazionali, tramite lo studio del moto delle stelle, e è tipicamente pari ad almeno 30 volte la massa visibile delle galassie. In sostanza questo vuol dire che la quantità di materia oscura presente nelle galassie è di gran lunga dominante rispetto alla materia ordinaria.

Sketch (da non prendere troppo alla lettera!) di come generalmente dovrebbe essere distribuita la materia oscura negli aloni delle galassie, in base alle misure della velocità di rotazione delle stelle.


Intuita la sua presenza da Fritz Zwicky nel 1933, e osservata in tutto il suo fulgore negli anni 70 grazie alle misure dell'astronoma Vera Rubin, negli anni le evidenze sulla presenza della materia oscura sono aumentate, anche grazie ad altre tipologie di osservaioni sperimentali, ma la sua natura resta misteriosa. Potrebbero essere sconosciute particelle elementari prodotte nei primi istanti di vita dell'universo, e che a tutt'oggi vagano inerti senza interagire con il resto della materia, ma producendo forza di gravità, oppure magari buchi neri prodotti all'inizio della storia dell'universo, e che si sono "ingrassati" nel tempo. La recente osservazione delle onde gravitazionali, prodotte dalla fusione di due buchi neri di circa 25-30 masse solari, evento ritenuto rarissimo prima di questa scoperta, e invece apparentemente frequente, potrebbe supportare questa ultima ipotesi, fino a ieri ritenuta improbabile rispetto alla prima ipotesi. Sta di fatto, che ad oggi non abbiamo idea di cosa sia la materia oscura, nonostante i tanti esperimenti realizzati per evidenziarne la natura. E quindi è anche per questo doppiamente oscura: non si vede, e non sappiamo cosa sia.

E non basta! Senza materia oscura diventa veramente molto difficile spiegare come si possano essere formate le galassie (e noi, in ultima analisi) a partire da quel calderone caldissimo e praticamente uniforme che era l'universo primordiale. Accumuli sparsi di materia oscura sarebbero stati indispensabili per addensare la materia ordinaria, grazie all'azione della forza di gravità, e quindi dare origine ai germi delle galassie odierne. Insomma, tanto per dirne una, senza materia oscura questo blog non sarebbe esistito, non so se mi spiego!

Però, come sempre, agli scienziati piace trovare spiegazioni alternative intriganti. E' il bello della scienza, quello di mettere sempre tutto in discussione. Alla faccia di chi dice che la scienza è dogmatica. E quindi alcuni hanno pensato che forse quello che noi chiamiamo materia oscura non è affatto un eccesso di materia misteriosa ammassata ai bordi delle galassie, ma è un effetto apparente, dovuto al fatto che la legge di Newton, a grandi distanze, devia dalla legge di Newton che studiamo a scuola. E quindi, fidandoci della legge di Newton per interpretare il moto delle stelle attorno alle galassie, arriviamo  a conclusioni sbagliate su come dovrebbe essere la distribuzione di materia al loro interno, tanto da credere che ce ne sia molta di più. Questa teoria prende il nome di MOND, MOdified Newtonian Dynamics (fonte, fonte).

Insomma, in soldoni, secondo MOND noi crediamo di osservare la presenza di materia oscura nelle galassie perché ci fidiamo della legge di Newton a grandi distanze, e secondo la legge di Newton il moto delle stelle attorno al centro delle galassie non è proprio spiegabile se non ammettendo che ci sia più materia di quella che vediamo. Ma se invece fosse la legge di Newton a essere sbagliata a grandi distanze, allora tutto questo si spiegherebbe facilmente senza dover ammettere materia oscura di alcun tipo.

Certo, MOND è una spiegazione ad hoc, ma in fin dei conti anche la materia oscura lo è. E non ci crederete, ma questa spiegazione alternativa funziona molto bene! Funziona benissimo per spiegare il moto anomalo delle stelle attorno alle galassie, senza dover ipotizzare l'esistenza della materia oscura. E sebbene esistano altre evidenze a supporto della materia oscura, quali il gravitational lensing e il "famoso" bullet cluser, anche in questo caso la partita con MOND non sembra essere proprio chiusa (fonte).

Fino alla scoperta recente di NGC1052–DF2. In questa galassia la misura del moto delle stelle attorno al suo centro fornisce un rapporto fra materia oscura e materia ordinaria pari a 1, contro i 30 e passa normalmente misurati in tutte le galassie. In sostanza la materia oscura in NGC1052.DF2, è pochissima. Le sue stelle, ruotandoci attorno, seguono perfettamente la legge di Newton.

E perché la mancanza di materia oscura in questa galassia costituirebbe, paradossalmente, una prova molto forte dell'esistenza della materia oscura nell'universo? Semplice: perché in un colpo solo mette in crisi MOND! Eh sì, perché se, come dice MOND, la materia oscura fosse dovuta al fatto che la legge di Newton, a grandi distanze, non è quella che ci fanno studiare a scuola, questa regola dovrebbe valere per tutte le galassie, una volta che andiamo a grandi distanze rispetto al loro centro. E quindi dovrebbe valere anche per NGC1052–DF2. E invece per lei non vale! Un perfetto esempio di falsificazione di una teoria scientifica. Se trovi qualcosa che va in contraddizione con le sue previsioni, quella teoria è sbagliata. O, per lo meno (Popper non va mai preso troppo alla lettera), è probabile che sia sbagliata. Un'osservazione del genere di per sé non significa molto (con buona pace di Popper), ma la scoperta di altre galassie di questo tipo potrebbe mettere in crisi le teorie Mond.

In ogni caso questa scoperta è molto interessante. Non solo perché metterebbe in crisi le teorie alternative alla materia oscura tipo MOND, ma anche perché ci dice che non è detto che per forza nelle galassie ci debba essere materia oscura! Sarà interessante vedere se altre galassie presentano la stessa caratteristica di NGC1052–DF2. Che la risposta sia sì o no, sarà una risposta interessante. Nel primo caso sarà interessante capire cosa caratterizza il formarsi di galassie senza materia oscura al loro interno, nel secondo caso sarà invece interessante capire come mai, proprio quella galassia e solo quella, è stata schifata dalla materia oscura. Insomma, come al solito, è la scienza, bellezza! Come diceva Shakespeare, "ci sono più cose in cielo e in terra, Orazio (che non credo sia quello di CSI Miami) di quante ne sogni la tua filosofia".

12 commenti:

  1. Dal diagramma anche la Via Lattea pare essere permeata da materia oscura. Domanda: come mai i pianeti del nostro piccolo sistema solare obbediscono alle leggi di Newton (trascuriamo Mercurio)?

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    1. Perché la materia oscura non è distribuita uniformemente, e il suo effetto si vede su grande scala, dove il suo contributo rispetto alla massa stellare è dominante. Nel volume all'interno del sistema solare la massa del sole è quella che conta.

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    2. La seguo ormai da mesi e trovo non solo molto interessante ciò che scrive di Fisica, ma anche fonte di spunto per approfondimenti e riflessioni. Qui, però, c'è qualcosa che non mi convince: se il sole è influenzato dalla materia oscura nella sua rivoluzione intorno al centro galattico, non capisco come, secondo logica, anche i suoi pianeti non ne vengano influenzati.

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    3. Il sole e i pianeti ne vengono influenzati, ma per quello che riguarda il moto attorno al centro della galassia, perché quel moto è regolato dalla massa totale compresa nella sfera di raggio pari alla distanza fra il sole(o il pianeta) e il centro galattico. Invece, per quello che riguarda il moto attorno al sole, la massa che ne regola il moto è la massa contenuta nella sfera di raggio pari alla distanza fra il pianeta (ad esempio la terra) e il sole. In questa sfera la quantità di massa sotto forma di materia oscura è del tutto trascurabile rispetto alla massa del sole. In altri termini, la denstà di una galassai, in termini di materia ordinaria (stelle) è molto minore della densità del sistema solare, dove il sole la fa da padrone in un volume sostanzialmente piccolo. Trovi una risposta più quantitativa qui (trascurando alcune risposte un po' a caso...): https://physics.stackexchange.com/questions/107764/why-doesnt-dark-matter-affect-planetary-motion "The density of dark matter is very low, < 10−19grams/cm3, compared to the density of ordinary matter in the solar system, below the limits of detectability. On the scale of galaxies, dark matter is thought to make a large contribution and can be detected by studying the velocity of stars at various radial distances."

      In ogni caso ci sono anche esperimenti che cercano la dark matter sulla terra, sfruttando il fatto che la terra si muoverebbe attraverso la dark matter presente nella galassia, e quindi il moto della terra creerebbe una specie di "vento" di queste particelle sconosciute. Anzi,l'esperimento Dama, sotto i laboratori del Gran Sasso, è in realtà l'unico esperimento che osserva un segnale di dark matter. Purtroppo non è stato confermato da altri esperimenti, ma resta un caso ancora aperto. Per saperne di più su Dama e il suo risultato, che se fosse confermato sarebbe spettacolare: http://scienzapertutti.infn.it/rubriche/729-da-rigenerare/schede-apporre/174-un-esperimento-completo-damanai

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    4. Ora mi è chiaro. Grazie.

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  2. Se le misure di questa galassia sono buone allora questa scoperta uccide MOND. Trovare altri casi non farebbe altro che mettere chiodi nella bara.

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    1. Professore! Come è piccolo il mondo, incontrarsi dopo 15 anni in un blog di cosmologia!

      Interessante analisi su questa nuova scoperta, non vedo l' ora che di questa materia oscura si capisca finalmente qualcosa ;-)
      Una domanda per Marcellini: ma che la materia oscura possa essere composta da buchi neri primordiali non è forse una ipotesi che può essere esclusa dal fatto che la DM non produce alcun lensing effect?

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    2. Ho scritto una fesseria nel precedente post - la DM produce il gravitation lensing effect. Non ricordo quale era, ma mi pare ci fosse un motivo per cui è da escludere che la dark matter sia tutta composta da buchi neri primordiali..forse il fatto che la DM non interagisce con se stessa?

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  3. Provo dei balbettii per capire meglio...
    Dunque, se la misura del moto si ottiene, immagino, con il redshift, una galassia che ha un piano perpendicolare al raggio di luce che giunge qui sarebbe praticamente non misurabile. E' corretto? Più la vediamo di taglio meglio si misura?
    Obiezione 'da studente': e se la galassia in questione è una nuvola così evanescente, come fanno a determinare l'inclinazione? La componente della rotazione che è parallela al mio raggio visivo potrebbe non essere stimata correttamente, dando un valore totale della velocità sballato. Evidentemente mi sfugge qualcosa o ci sono altri metodi.

    Altro argomento: dunque possiamo ragionevolmente dire che questa materia oscura interagisce molto blandamente, quindi non ci sarebbe ragione di osservarne una evoluzione nella distribuzione? In altri termini la galassia in questione sarebbe una eccezione per il fatto di trovarsi in un "buco della groviera" di una fase iniziale di (iper?)inflazione?

    Mi scuso anticipatamente per il farle perdere tempo con le mie domande...

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    1. Onestamente non conosco le tecniche pchevengono usate per risulvere il problema che sollevi. Suppongo che dalla distribuzione dei redshift delle stelle sia possibile determinare la direzione dell'asse di rotazione della galassia, e quindi quanto è inclinato rispetto alla terra. Nel caso estremo in cui l'asse puntasse verso la terra, non ci sarebbe praticamente differenza nei red shift, mentre la dispersione dei valori è massima per un asse perpendicolare alla congiungente galassia-terra. Ma bisognerebbe consultare un esperto in materia. La materia oscura interagisce sostanzialmente soltanto tramite la forza di gravità. Quindi non credo che questo "buco" di materia oscura sia qualcosa che è restato congelato dai primi istanti di vita dell'universo, perché nel frattempo la forza di gravità dovrebbe aver avuto il tempo per rimodellarlo. Anche qui sarebbe interessante sapere da qualche esperto come potrebbero prodursi galassie senza materia oscura.

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  4. Disclaimer: non sono un fisico.
    A me la questione della materia oscura non mi è mai tornata. A me sembra il classico modo già visto nella storia di far tornare i conti che non tornano. Tipo con l'etere luminifero.

    Non sapevo dell'esistenza di questa teoria MOND, ma ho sempre creduto che appunto che le leggi della fisica che utilizziamo non funzionassero su grande scala. Io però a differenza di quello che dice la teoria MOND credo che il problema potrebbe essere un altro. Per esempio la concentrazione di massa in uno spazio ravvicinato oppure la distorsione dello spazio che non percepiamo (cioè: due oggetti su una superficie 2d possono essere distanti ma se la superficie è curvata in 3d possono essere vicini, no?)

    Avrei tante domande da fare sulla fisica, ma non ho nessuno a cui chiedere :)

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  5. Intrigante quanto si commenta in questo blog.Se la memoria non mi inganna, a una certa eta succede,ma che fine ha fatto la ipotesi di Todeschini sull'etere, che secondo lui spiegherebbe la DM..?

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