La teoria Mond ripensa la gravità

Per decenni sono state misurate curve di rotazione di galassie a disco che sembrano implicare un’attrazione gravitazionale superiore a quella che dovrebbe esserci in base alla luce emessa dalle galassie stesse, lasciando intendere che non ci sia abbastanza materia visibile – o conosciuta – per per giustificare il comportamento osservato. Questo ha portato a ritenere che la maggior parte dell’universo sia in realtà composta di materia che non interagisce con la luce, quindi invisibile e apparentemente (almeno finora) non rilevabile, ma responsabile di gran parte dell’attrazione gravitazionale tra le galassie. Questa è stata la teoria prevalente per quasi cinquant’anni. Ma non è l’unica e anche all’Istituto nazionale di astrofisica c’è chi sta percorrendo sentieri alternativi per capire se sono praticabili e, soprattutto, dove portano. È il caso di Federico Lelli, primo ricercatore all’Osservatorio astrofisico di Arcetri, che da anni sta studiando la teoria Mond, che afferma che questa attrazione gravitazionale esiste perché le leggi che governano la gravità sono leggermente alterate. In altre parole, invece di attribuire l’attrazione gravitazionale in eccesso a una materia oscura, invisibile e non rilevabile, Mond suggerisce che la gravità a basse accelerazioni sia più forte di quanto sarebbe previsto da una pura comprensione newtoniana. Universi lo ha intervistato.

Lelli, è davvero possibile che non sia necessario chiamare in causa la materia oscura per spiegare la rotazione delle galassie a spirale?

È possibile ma a costo di modificare la teoria della Relatività generale di Einstein e il suo regime newtoniano che si applica alle galassie. A tal fine, negli ultimi quarant’anni, sono state proposte diverse teorie di gravità modificata. Quella che ha avuto più successo, ovvero con più predizioni che sono state successivamente confermate dalle osservazioni, è la teoria Mond (che sta per Modified Newtonian Dynamics oppure Milgromian Dynamics), proposta dal fisico israeliano Mordehai Milgrom nel 1983. Ad esempio, l’anno scorso io e i miei collaboratori abbiamo mostrato che due predizioni straordinarie di Mond (ovvero totalmente inaspettate nel contesto della materia oscura) sono state confermate. La prima è che le cosiddette curve di rotazione delle galassie rimangono piatte fino a grandissime distanze dal centro, ben al di là di quello che dovrebbe essere il bordo dell’alone di materia oscura. La seconda è che le galassie nell’universo primordiale si sono formate in modo molto più rapido di quanto ci si aspettasse nel contesto cosmologico della Lambda Cold Dark Matter (Lcdm), ma in accordo con quanto predetto dal fisico Bob Sanders usando la teoria Mond nell’ormai lontano 1998, ben prima della costruzione del James Webb Space Telescope, che ha permesso di osservare tali galassie primordiali.

In che modo la dinamica newtoniana è modificata, rispetto a quella che conosciamo?

Nel caso della teoria Mond, la dinamica newtoniana è modificata a basse accelerazioni, al di sotto di una nuova costante chiamata a0, che ha un valore di circa 10-10 m s-2. Questa accelerazione scala è circa 100mila volte più piccola delle accelerazioni dei pianeti del Sistema solare, in cui la dinamica newtoniana è stata testata ad altissima precisione. In pratica, la costante a0 svolge lo stesso ruolo della costante di Planck (h) nella meccanica quantistica o della velocità della luce (c) nella relatività, ovvero determina la transizione tra la “vecchia” e la “nuova” fisica. Empiricamente, infatti, la necessità di materia oscura nelle galassie appare solo quando le loro accelerazioni interne sono al di sotto di a0. Ma c’è di più: al di sotto di a0, quando dovrebbe dominare la materia oscura, la rotazione o accelerazione centripeta delle galassie è strettamente legata a quella predetta dalla distribuzione della materia luminosa (ovvero stelle e gas), come abbiamo mostrato qualche anno fa considerando circa 150 oggetti.

La Mond mette in dubbio solo la presenza della materia oscura o anche la relatività generale?

La Mond è incompatibile con la relatività generale perché non rispetta uno dei suoi principi cardine, ovvero il principio di equivalenza forte. In sostanza, la dinamica interna di un sistema gravitazionale (come una galassia) può essere influenzata da un campo gravitazionale esterno (ad esempio, la gravità dovuta al resto della massa dell’universo), cosa che non dovrebbe avvenire nel contesto della relatività generale. Osservativamente è molto difficile testare questa predizione Mond, ma qualche anno fa abbiamo ottenuto delle indicazioni intriganti al riguardo. Al momento, insieme a uno studente di dottorato (Konstantin Haubner) stiamo analizzando dati radio dai cosiddetti pathfinders dello Square Kilometre Array (Ska) per costruire un campione di galassie molto più grande rispetto a quello che avevamo in precedenza. Questo nuovo campione di circa 4mila galassie (contro le 175 del database Sparc) ci dovrebbe permettere di confermare oppure no questa predizione Mond – e altre – con molta più confidenza.

Con la Mond riusciremmo a sbarazzarci dei “fardelli” oscuri?

C’è questa possibilità, ma bisogna tenere conto che al momento Mond non è una teoria completa e ci sono degli oggetti astronomici, come gli ammassi di galassie, in cui non funziona bene. Per sbarazzarsi della materia oscura bisognerebbe costruire una nuova teoria relativistica che converga alla teoria newtoniana e a quella Mond nei regimi opportuni. Negli ultimi anni c’è stato grande fermento in questo contesto. Al momento, vi sono due diverse teorie relativistiche a-la-Mond che riescono a riprodurre le proprietà della radiazione cosmica di fondo, che per lungo tempo è stata considerata il Sacro Graal per le teorie di gravità modificata. La prima di queste teorie è stata proposta dai fisici Constantinos Skordis e Thomas Zlosnik nel 2021, mentre la seconda nel 2024 da Luc Blanchet e di nuovo Skordis. Sono teorie recenti e probabilmente non diranno l’ultima parola sull’argomento, ma c’è la necessità di studiarle e testarle per capire se vanno nella direzione giusta.