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".