Un’alternativa alla materia oscura supera il test critico
Per decenni, una banda di teorici ribelli ha fatto la guerra con uno dei concetti fondamentali della cosmologia: l'idea che una forma invisibile e intangibile della materia forma la struttura primaria dell'universo. Questa materia oscura, che sembra superare le cose di cui siamo fatti 5 a 1, spiega una serie di osservazioni: la stretta coesione di galassie e branchi di galassie, il modo in cui la luce delle galassie lontane si piegherà sulla sua strada verso telescopi terrestri e la struttura chiazzata dell'universo primordiale, per citarne alcuni.
Gli aspiranti rivoluzionari cercano una ricetta cosmica alternativa. Al posto della materia oscura, sostituiscono una forza di gravità leggermente modificata. Ma i tentativi di tradurre la loro idea approssimativa in un preciso linguaggio matematico hanno sempre ostacolato almeno un'osservazione chiave. Alcune formulazioni ottengono le galassie giuste, altre la contorsione dei raggi luminosi, ma nessuna ha trafitto la prova più a prova di proiettile della materia oscura: mappe precise di luce antica , nota come sfondo cosmico a microonde (CMB). "Una teoria deve fare davvero bene per concordare con questi dati", ha affermato Ruth Durrer , cosmologo dell'Università di Ginevra. "Questo è il collo di bottiglia."
Ora, due teorici affermano di aver finalmente schiacciato una teoria alternativa della gravità oltre quell'ostacolo. Il loro lavoro, che è stato pubblicato online alla fine di giugno e non ha ancora superato la revisione tra pari, utilizza una versione ottimizzata della teoria della gravità di Einstein per riprodurre una mappa iconica dell'universo primordiale, un'impresa che persino alcuni ribelli temevano di essere impossibile. "Per 15 anni siamo appena morti in acqua", ha dichiarato Stacy McGaugh , astronoma della Case Western Reserve University e sostenitrice da lungo tempo di teorie della gravità modificata che non sono state coinvolte nella ricerca. "È un grande balzo in avanti."
Altri concordano sul fatto che i risultati preliminari del modello sembrano promettenti. "È un po 'barocco, ma dal momento che nient'altro ha funzionato finora, sono ancora impressionato dal fatto che sembra funzionare", ha detto Durrer.
La maggior parte dei cosmologi preferisce ancora la materia oscura come il più semplice dei due paradigmi, ma concordano sul fatto che la nuova teoria potrebbe essere intrigante, se può davvero abbinare ulteriori osservazioni cosmologiche. "Sarebbe una grande barriera", ha detto Dan Hooper , un astrofisico dell'Università di Chicago. "Sarebbe piuttosto interessante."
Infilatura dell'ago
Le sfide per le teorie della gravità alternativa, note collettivamente come dinamiche newtoniane modificate o MOND, sono state enunciate in una prestampa separata, pubblicata per coincidenza il giorno successivo alla comparsa del nuovo modello. Il principale tra questi è la rifusione del ruolo principale svolto dalla materia oscura nel riunire l'universo, come descritto da un modello cosmologico ben noto noto come materia oscura fredda Lambda (LCDM).
In poche parole, LCDM afferma che non saremmo qui senza materia oscura. L'universo infantile era così fluido che l'attrazione gravitazionale della sola materia ordinaria non sarebbe bastata a raccogliere particelle in galassie, stelle e pianeti. Inserisci le particelle di materia oscura. LCDM usa la sua massa collettiva per scolpire la materia normale nelle moderne strutture cosmiche studiate dagli astronomi.
LCDM è diventato il modello standard della cosmologia in parte perché concorda in modo così preciso con il CMB. Questa mappa dell'universo primordiale mostra punti impercettibilmente spessi e sottili che si increspano nel cosmo. Più recentemente, i ricercatori sono stati in grado di misurare con precisione l'orientamento o la polarizzazione della luce del CMB. Qualsiasi cosmologia di successo dovrà stabilire una storia completa del cosmo riproducendo queste tre osservazioni: la temperatura del CMB, la polarizzazione del CMB e l'attuale distribuzione di galassie e ammassi di galassie.
Nella seconda prestampa, Kris Pardo , un astrofisico del Jet Propulsion Laboratory della NASA, e David Spergel , direttore del Center for Computational Astrophysics presso il Flatiron Institute, hanno quantificato quanto sarebbe difficile per qualsiasi teoria alternativa della gravità competere con una caratteristica particolare di LCDM. ( Quanta Magazine è una pubblicazione indipendente dal punto di vista editoriale sponsorizzata dalla Simons Foundation, che finanzia anche l'Istituto Flatiron.) Quando zone più dense di materia oscura trascinassero la materia verso di loro, formando alla fine galassie e stelle, questo avrebbe largamente – ma non del tutto – spazzato via le increspature inizialmente si muovono attraverso la questione. Confrontando la polarizzazione della CMB con i modelli di materia odierni, i cosmologi possono misurare chiaramente un tale effetto: i resti di ondulazione 100 volte più piccoli delle ondulazioni osservate nella CMB persistono oggi.
Ricreare queste e altre funzionalità senza l'ingrediente titolare di LCDM, ha dimostrato Spergel, richiede il miglior filetto di ago teorico. "Non abbiamo smentito l'esistenza di tutti questi", ha detto. "Ma ogni teoria alternativa deve saltare attraverso questi cerchi."
Polvere scura
Tom Złosnik e Constantinos Skordis , teorici dell'Istituto centro europeo di cosmologia e fisica fondamentale, credono di aver fatto proprio questo, anche se in un modo che potrebbe sorprendere sia gli scettici del MOND che i fan. Sono riusciti a costruire una teoria della gravità che contiene un ingrediente che si comporta esattamente come una forma invisibile di materia su scale cosmiche, offuscando la linea tra la materia oscura e i paradigmi MOND.
La loro teoria, soprannominata RelMOND, aggiunge alle equazioni della relatività generale un campo onnipresente che si comporta diversamente nelle diverse arene. Sulle scale più grandi, dove l'universo si allunga notevolmente mentre si espande, il campo si comporta come materia invisibile. In questa modalità, che Złosnik chiama "polvere scura", il campo avrebbe potuto modellare l'universo visibile proprio come farebbe la materia oscura. Il modello riproduce fedelmente la temperatura del CMB – il risultato che il duo ha pubblicato nella loro prestampa – e Złosnik afferma che può anche corrispondere allo spettro di polarizzazione e alla distribuzione della materia, sebbene non abbiano ancora pubblicato questi grafici.
"Non può fare peggio di LCDM", ha detto Złosnik, perché imita molto da vicino quella teoria per l'intero universo.
Ma se ingrandiamo una galassia, dove il tessuto dello spazio è piuttosto immobile, il campo agisce in modo fedele alle sue radici MOND: si intreccia con il campo gravitazionale standard, rinforzandolo quanto basta per tenere insieme una galassia senza ulteriore questione. (I ricercatori non sono ancora sicuri di come il campo agisca per i più grandi ammassi di galassie, un punto dolente perenne MOND, e suggeriscono che questa scala intermedia potrebbe essere un buon posto per cercare indizi osservativi che potrebbero distinguere la teoria.)
Nonostante i risultati matematici della coppia, la materia oscura rimane la teoria più semplice. La costruzione del nuovo campo richiede quattro nuove parti matematiche mobili, mentre LCDM gestisce la materia oscura con una sola. Hooper paragona la situazione a un detective che discute se la persona sulla scena di un omicidio è l'assassino o se sono stati incastrati dalla CIA. Anche se le prove disponibili corrispondono a entrambe le teorie, si richiede meno di un salto.
Tuttavia, non si rammarica per gli altri che lavorano su quella che considera una teoria della cospirazione cosmologica. "Sono contento che le persone intelligenti stiano pensando a MOND", ha detto.
Złosnik spera che presto venga rilevata la materia oscura, ma nel frattempo vede il suo lavoro su MOND più come un esercizio di allungamento della relatività generale ai suoi limiti che come un assalto completo all'establishment cosmologico. Per ora, è solo contento di aver contribuito a dimostrare che la matematica della gravità può accogliere fenomeni più strani di quanto molti pensassero.
"C'è il pericolo di perdere qualcosa di utile solo supponendo che non sia possibile", ha detto Złosnik. "Potrebbe indicare la strada verso qualcosa di un po 'più riuscito."
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/modified-gravity-theory-passes-a-critical-test-20200728/ in data Tue, 28 Jul 2020 14:50:00 +0000.