Gli scienziati continuano ad arrovellarsi sulla materia oscura. Le domande aperte, effettivamente, sono tante: la prima, e più importante, riguarda la sua effettiva esistenza – perché al momento non siamo ancora riusciti a osservarla direttamente – e le altre, in ordine sparso, la necessità della sua esistenza, la sua natura, il suo comportamento, le sue interazioni con tutto il resto. Domande le cui risposte sono, per l’appunto, ancora oscure, o se si vuole ipotetiche, e soprattutto ancora suscettibili di sconvolgimenti: sulla scorta di un’ardita riformulazione della teoria della gravità, per esempio, nel marzo scorso due scienziati avevano dedotto che forse l’Universo potrebbe non aver bisogno della materia oscura per esistere così come lo osserviamo; e oggi un altro lavoro, appena pubblicato sui Monthly Notices of the Royal Astronomical Society da Richard Lieu, fisico alla University of Alabama in Huntsville (Uah), arriva a conclusioni più o meno simili percorrendo una strada un po’ diversa. Anche Lieu ha lavorato sulla gravità, mostrando matematicamente che quest’ultima potrebbe esistere anche in assenza di massa (sembra un’eresia, ma i conti dello scienziato tornano) il che, tra le altre cose, escluderebbe la presenza di materia oscura nell’Universo.
Perché la materia oscura è (sarebbe) necessaria
Il fatto che al momento i modelli cosmologici più accreditati “contengano” anche la materia oscura è legato a risultati sperimentali che possono essere spiegabili solo con questa assunzione. Tutto comincia con il cosiddetto Modello standard della fisica delle particelle, un impianto teorico che descrive la natura e il comportamento della materia ordinaria (cioè non oscura, per intenderci): al momento, questo modello è il più solido e verificato sperimentalmente per rappresentare il mondo che ci circonda e fare previsioni accurate sui fenomeni naturali. Ma non è ancora perfetto: nel corso del secolo scorso, infatti, astronomi e cosmologi hanno cominciato ad accumulare diverse osservazioni sperimentali, legate soprattutto a fenomeni che hanno a che fare con la gravità, che non potevano essere spiegati né previsti dal Modello standard. Tra queste, per esempio, la velocità di rotazione delle stelle e delle galassie, alcune caratteristiche della radiazione cosmica di fondo e la curvatura della luce per effetto delle cosiddette lenti gravitazionali.
Se si considerano unicamente le particelle di materia ordinaria, effettivamente, questi fenomeni sono inspiegabili. Per questo motivo, già nel 1932, l’astronomo olandese Jan Oort propose la presenza di un altro tipo di materia – la materia oscura, per l’appunto – con la quale riconciliare osservazioni sperimentali e modelli teorici. Il problema, come accennavamo, è che al momento questo tipo di materia non è mai stata osservata direttamente, e non abbiamo ancora un’idea precisa di quali dovrebbero essere le sue caratteristiche. L’ipotesi di Oort, poi raffinata nei decenni successivi, è che la materia oscura interagisca con la materia ordinaria tramite la gravità; stando alle stime attuali, questa elusiva entità rappresenterebbe addirittura la maggior parte dell’Universo – l’85% circa di tutta la materia esistente e il 27% circa della massa totale.
Difetti dell’Universo
“La mia ispirazione” spiega Lieu “arriva dalla ricerca di una soluzione alternativa alle equazioni del campo gravitazionale della relatività generale di Albert Einstein, la cui versione semplificata, applicabile al comportamento di stelle, galassie e ammassi di galassie, è nota come equazione di Poisson, secondo la quale si può avere una forza gravitazionale non nulla anche in assenza di massa rivelabile. Ma non solo: sono stato spinto anche dalla frustrazione per la difficoltà di trovare prove dirette dell’esistenza della materia oscura”. Nell’idea di Lieu, la materia (ossia la gravità) “necessaria” a tenere insieme le galassie o gli ammassi di galassie non avrebbe niente a che fare con un’ipotetica materia oscura, ma potrebbe essere dovuta a quelli che chiama “difetti topologici simili a ‘gusci’ presenti in strutture comunemente presenti in tutto il cosmo e probabilmente create nei primi momenti di vita dell’Universo”, durante una cosiddetta transizione di fase cosmologica, ossia un processo fisico in cui lo stato generale della materia cambia in tutto l’Universo (un esempio di transizione di fase è il congelamento dell’acqua liquida, che passa allo stato solido: immaginate un fenomeno analogo ma esteso a tutto l’Universo).
Gusci a massa zero
In parole più semplici, l’ipotesi di Lieu è che nei primi (turbolenti) momenti di vita dell’Universo si siano originate una sorta di increspature, o pieghe – quelli che gli scienziati chiamano “difetti topologici” –, ossia regioni in cui si sono accumulate quantità enormi di materia. “Al momento – prosegue ancora lo scienziato – non è però ancora chiaro che tipo di transizione di fase cosmologica possa dare origine a difetti topologici di questo tipo. Si tratta di regioni molto compatte dello spazio con altissima densità di materia, che solitamente si presentano come strutture lineari, le cosiddette stringhe cosmiche; ma sono possibili anche tipi di strutture diversi, per esempio gusci bidimensionali. Nel mio lavoro ho preso in esame, per l’appunto, dei gusci sferici costituiti da uno strato interno di massa positiva e da un sottile strato esterno di massa negativa, in modo che la massa totale del guscio sia esattamente zero. Quando una stella ‘giace’ su uno di questi gusci, sebbene la massa (netta) sia zero, sperimenta effettivamente una forza gravitazionale che la trascina verso il centro”.
Materia oscura addio?
Se il modello di Lieu fosse corretto, potrebbe avere come conseguenza il fatto che la materia oscura non sarebbe più “necessaria” come si ritiene finora. Ma è ancora molto presto per accantonare i modelli di materia oscura – che al momento restano ancora i più accreditati – perché il modello appena formulato è ancora incompleto: Lieu non dice niente, per esempio, su come si dovrebbero formare queste strutture, limitandosi a osservare che se esistessero potrebbero effettivamente dar luogo al comportamento descritto. Lo scienziato lo sa bene: “Naturalmente” conclude “la mia ipotesi, per quanto suggestiva, non è di per sé sufficiente a screditare l’esistenza della materia oscura. Nella migliore delle ipotesi [sic] potrebbe essere un interessante esercizio matematico. Ma è comunque la prima prova che effettivamente la gravità può esistere anche senza massa”.