La gravità segue le leggi di Newton e di Einstein, anche su scala cosmica.

Monitorando ammassi di galassie distanti centinaia di milioni di anni luce, il fisico della Penn Patricio Gallardo e i suoi collaboratori hanno scoperto che le leggi della gravità formulate da Newton e Einstein sono ancora valide, lasciando pochi dubbi sull'esistenza della materia oscura invisibile.

Principali takeaways

• Nella più grande indagine sulla gravità mai realizzata finora, il fisico dell'Università della Pennsylvania Patricio Gallardo e i suoi collaboratori hanno monitorato il movimento di distanti ammassi di galassie per verificare se le leggi della gravità siano ancora valide anche nelle strutture più grandi dell'universo.
• I risultati dimostrano che la gravità si comporta allo stesso modo su vaste scale cosmiche come su scale più vicine alla Terra, seguendo le regole descritte per la prima volta da Isaac Newton e successivamente perfezionate da Albert Einstein.
• I risultati mettono in discussione le teorie alternative che suggeriscono variazioni di gravità a grandi distanze.
• Lo studio rafforza l'ipotesi che l'universo contenga grandi quantità di materia oscura invisibile.

La gravità, come la intendiamo per la maggior parte delle persone, è la forza familiare che attrae una mela che cade verso la Terra. Ma per gli astronomi e i fisici teorici, è anche un'affascinante architetta invisibile che guida la forma e l'evoluzione delle più grandi strutture cosmiche dell'universo.

Per decenni, osservazioni sconcertanti di galassie che si muovono insolitamente velocemente hanno costretto cosmologi come il University of Pennsylvania'S Patricio A. Gallardo riprenderà in esame i fondamenti della fisica, esplorando, ad esempio, se le leggi di gravità descritte da Isaac Newton e Albert Einstein siano realmente applicabili ovunque.

"L'astrofisica è stata afflitta da un'enorme discrepanza nel bilancio cosmico", afferma Gallardo. "Quando osserviamo come le stelle orbitano all'interno delle galassie o come le galassie si muovono all'interno degli ammassi di galassie, alcune sembrano viaggiare a velocità eccessiva rispetto alla quantità di materia visibile che contengono." 

Questa discrepanza impone una scelta tra due conclusioni radicali, spiega. O l'universo contiene concentrazioni di "materia oscura" massiccia e invisibile che fornisce un'attrazione gravitazionale aggiuntiva, oppure "le equazioni fondamentali della gravità devono essere modificate".

Ora, utilizzando le osservazioni del telescopio cosmologico di Atacama (ACT), un telescopio alto circa tre o quattro piani sviluppato da una collaborazione multi-istituzionale che include ricercatori della Penn guidati da Marco DevlinGallardo e i suoi collaboratori hanno testato la gravità attraverso ammassi di galassie separati da centinaia di milioni di anni luce: la più grande indagine sulla gravità mai realizzata fino ad oggi.

Le loro scoperte, pubblicate in Physical Review Letters, dimostrano che la forza di gravità si indebolisce con la distanza quasi esattamente come previsto dalle equazioni sviluppate da Newton e successivamente incorporate nella teoria della relatività generale di Einstein.

"È straordinario che la legge dell'inverso del quadrato, proposta da Newton nel XVII secolo e poi incorporata dalla teoria della relatività generale di Einstein, sia ancora valida nel XXI secolo", afferma Gallardo.

La conferma che la gravità si comporti come previsto dalla teoria consolidata su vaste distanze extragalattiche rafforza un pilastro fondamentale della scienza moderna, spiega Gallardo: il modello standard della cosmologia. Dimostrando che le teorie fondamentali della gravità non si interrompono sulle scale più grandi, i dati chiudono di fatto la porta a un gruppo di teorie come la Dinamica Newtoniana Modificata (MOND), che tentano di spiegare i moti cosmici modificando le leggi della gravità.

Quando Newton propose la relazione dell'inverso del quadrato, secondo la quale la forza di gravità diminuisce in proporzione al quadrato della distanza tra gli oggetti, il suo obiettivo principale era descrivere i movimenti degli oggetti nel Sistema Solare. Questo stesso principio è stato ora testato su masse e distanze che erano "inconcepibili ai tempi di Newton", afferma Gallardo.

Comprendere i "limiti di velocità" dell'universo

Le galassie dell'universo, di cui ce ne sono più di 200 miliardi, non si muovono nel modo che la sola gravità suggerirebbe.

Secondo la logica newtoniana, le stelle più lontane dal centro di una galassia dovrebbero orbitare più lentamente. Invece, gli astronomi osservano il contrario. Le regioni più esterne si muovono molto più velocemente di quanto la materia visibile possa spiegare. La stessa discrepanza si riscontra negli ammassi di galassie, dove intere galassie si muovono troppo velocemente rispetto alla loro massa.

"Questo è il rompicapo centrale", spiega Gallardo. "O la gravità si comporta in modo diverso su scale molto grandi, oppure l'universo contiene materia aggiuntiva che non possiamo osservare direttamente."

Testare la gravità nel cosmo

Per verificare questa ipotesi, i ricercatori si sono rivolti alle osservazioni di ACT relative a una luce emessa circa 380,000 anni dopo il Big Bang, che da allora ha viaggiato attraverso l'universo ed è nota come radiazione cosmica di fondo a microonde.

Quando questa luce ancestrale attraversa enormi ammassi di galassie, viene sottilmente alterata dal loro movimento, lasciando deboli impronte che gli astronomi possono rilevare. Analizzando queste distorsioni e misurando questi movimenti in centinaia di migliaia di ammassi separati da decine di milioni di anni luce, i ricercatori hanno determinato l'intensità della forza di gravità che agisce sulle strutture più grandi del cosmo. Se le teorie della gravità modificata, come la MOND, fossero corrette, le misurazioni rivelerebbero una diminuzione della forza gravitazionale più graduale.

Al contrario, i risultati si sono collocati quasi esattamente dove concordano le teorie di Newton e di Einstein.

Poiché tale previsione si rivela corretta, il problema della massa mancante non può essere spiegato modificando la gravità stessa, rafforzando l'ipotesi che una componente invisibile, la materia oscura, debba essere responsabile dell'attrazione gravitazionale aggiuntiva.

Il mistero della materia oscura

Comprendere cosa sia effettivamente la materia oscura rimane una delle maggiori sfide della fisica moderna.

"Questo studio rafforza l'ipotesi che l'universo contenga una componente di materia oscura", afferma Gallardo. "Ma non sappiamo ancora di cosa sia composta questa componente."

Le future osservazioni della radiazione cosmica di fondo e le indagini su galassie più ampie consentiranno a fisici e astronomi di testare la gravità con ancora maggiore precisione.

«Con così tante domande ancora senza risposta, la gravità rimane uno dei campi di ricerca più affascinanti. È un settore naturalmente attraente», commenta Gallardo con una risata.

Patricio Gallardo è ricercatore associato presso il Dipartimento di Astronomia e Fisica della Facoltà di Arti e Scienze dell'Università della Pennsylvania.

Lo studio ha coinvolto oltre 40 ricercatori appartenenti a diverse istituzioni di vari paesi. I singoli ricercatori che hanno contribuito a questo studio sono stati supportati da diverse borse di studio e agenzie di finanziamento nazionali, tra cui il Kavli Institute for Cosmological Physics dell'Università di Chicago, la Simons Society of Fellows, la National Science Foundation statunitense (AST-2206088), la borsa di studio NASA ROSES 12-EUCLID12-0004, il progetto Basal FB210003 dell'Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID) del Cile, la National Research Foundation del Sudafrica e il Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) tramite le borse di studio RGPIN-2023-05014 e DGECR-2023-00180. Ulteriore supporto è stato fornito dalla Sutton Family Chair in Science, Christianity and Cultures presso la Facoltà di Arti e Scienze dell'Università di Toronto. 

Il progetto Atacama Cosmology Telescope (ACT) è finanziato principalmente dalla National Science Foundation (NSF) statunitense attraverso i finanziamenti AST-0408698, AST-0965625 e AST-1440226 per il progetto ACT, nonché PHY-0355328, PHY-0855887 e PHY-1214379. Ulteriori finanziamenti sono stati forniti dalla Princeton University, dall'Università della Pennsylvania e da un finanziamento della Canada Foundation for Innovation (CFI) all'Università della British Columbia. Lo sviluppo dei rivelatori multicromatici e delle lenti ACT è stato supportato dalle sovvenzioni NASA NNX13AE56G e NNX14AB58G, mentre la ricerca sui rivelatori presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) è stata supportata attraverso il programma NIST Innovations in Measurement Science.

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