Testing MOND-like modifications to gravity using growth-rate measurements and one-loop corrections to the matter power spectrum

Per decenni, la storia di maggior successo che abbiamo da raccontare sull'universo si basa su un ingrediente nascosto. Gli astronomi osservano che le stelle nelle regioni esterne delle galassie ruotano molto più velocemente di quanto dovrebbero in base alla materia visibile che le attrae. Per far funzionare la matematica, il modello standard della cosmologia, noto come Lambda Cold Dark Matter, postula che la materia oscura invisibile riempia il cosmo, fornendo la gravità extra necessaria per tenere insieme queste galassie. Questo modello ha superato innumerevoli test, eppure affronta una pressione crescente. Recenti misurazioni sulla velocità con cui l'universo si espande e sulla densità con cui la materia si aggrega hanno iniziato a discordare con le previsioni del modello, creando una tensione che suggerisce che la nostra comprensione della gravità o dei contenuti dell'universo potrebbe essere incompleta.

Di fronte a queste discrepanze, alcuni scienziati hanno rivisitato un'idea alternativa chiamata Dinamica Newtoniana Modificata, o MOND. Invece di aggiungere materia invisibile, questa teoria suggerisce che le leggi della gravità stessa cambino quando la forza diventa molto debole, come negli spazi vasti e vuoti tra le stelle. Sebbene questo approccio spieghi eccezionalmente bene il moto delle singole galassie, storicamente ha faticato a spiegare il comportamento dell'intero universo, in particolare come le grandi strutture come gli ammassi di galassie si siano formate nel corso di miliardi di anni. La grande domanda è stata se una versione modificata della gravità potesse sopravvivere ai rigorosi test della cosmologia moderna, o se il modello standard della materia oscura rimanga l'unica opzione praticabile.

Un team di ricercatori provenienti dal Brasile ha affrontato questo problema con una nuova prospettiva, costruendo un nuovo quadro matematico per testare le teorie simili alla MOND contro i dati più recenti del cosmo. Invece di cercare di sostituire interamente il modello standard, si sono posti una domanda più specifica: potrebbe una leggera modifica al modo in cui funziona la gravità, sovrapposta al modello standard, spiegare meglio il modo in cui la materia si aggrega oggi? Si sono concentrati su un tipo specifico di modifica in cui la forza della gravità dipende dall'accelerazione degli oggetti coinvolti. In questo scenario, la gravità si comporta normalmente quando le cose accelerano rapidamente, ma passa a una modalità diversa quando l'accelerazione scende al di sotto di una soglia specifica e minuscola.

Per investigare ciò, i ricercatori hanno sviluppato un modo per tracciare come le minuscole increspature nella densità dell'universo primordiale siano cresciute nelle massicce strutture che vediamo oggi. Hanno creato un insieme di equazioni che descrivono l'evoluzione di queste increspature, tenendo conto del fatto che, nella loro teoria modificata, la gravità non attira in modo uniforme come avviene nella fisica standard. Hanno spinto questa analisi oltre la semplice crescita fluida e regolare, entrando nel regno disordinato e complesso dove le strutture iniziano a scontrarsi tra loro e a formare ammassi. Ciò ha richiesto il calcolo delle sottili interazioni tra diverse onde di materia, un processo che rivela come la gravità modificata lascerebbe un'impronta unica sulla distribuzione delle galassie.

Il team ha poi messo alla prova la propria teoria utilizzando le osservazioni più recenti e precise disponibili. Hanno confrontato le loro previsioni con le misurazioni della velocità di crescita degli ammassi di galassie, i dati sulla distribuzione delle galassie mappati dallo Dark Energy Spectroscopic Instrument e le osservazioni di stelle distanti che esplodono, note come supernovae di Tipo Ia. Questi dataset fungono da righello e orologio cosmico, permettendo agli scienziati di misurare la storia dell'espansione dell'universo e il tasso con cui la materia si sta aggregando. Eseguendo il loro modello di gravità modificata contro questa ricchezza di dati, potevano vedere se l'universo appariva diverso rispetto a quanto previsto dal modello standard.

I risultati sono stati chiari: i dati non hanno mostrato alcuna evidenza statisticamente significativa di deviazioni dalla cosmologia standard ΛCDM. Tuttavia, il modello modificato non è fallito del tutto; ha mostrato una lieve, sebbene non statisticamente significativa, preferenza rispetto al modello standard in tutti i casi testati, offrendo un miglioramento marginale nel fit. I ricercatori hanno scoperto che i parametri che controllano la forza della gravità modificata sono coerenti con il modello standard, il che significa che l'universo sembra comportarsi esattamente come se nessuna modifica alla gravità stesse avvenendo entro le attuali incertezze osservative. Sebbene il modello modificato abbia offerto un leggero vantaggio statistico nel fit, il modello standard rimane pienamente coerente con i dati, suggerendo che la misteriosa componente di materia oscura rimanga la spiegazione più robusta per la struttura cosmica che osserviamo, sebbene la teoria modificata rimanga un'alternativa praticabile.

Tuttavia, lo studio ha scoperto qualcosa di interessante riguardo a dove queste teorie potrebbero ancora lasciare un segno. I ricercatori hanno notato che, mentre le differenze tra i modelli sono invisibili sulle scale più grandi e fluide dell'universo, esse potrebbero diventare evidenti su scale più piccole e affollate, dove le galassie si raggruppano strettamente. In queste regioni non lineari, la teoria della gravità modificata prevede un modello leggermente diverso nel modo in cui la materia si distribuisce, una firma sottile che i telescopi attuali potrebbero non essere ancora abbastanza nitidi per rilevare. Ciò suggerisce che la prossima generazione di rilievi ad alta precisione, che mapperà l'universo con un dettaglio senza precedenti, potrà finalmente sondare queste scale non lineari e o escludere completamente queste teorie modificate o trovare la debole evidenza che finora ci ha eluso.

In definitiva, questo lavoro fornisce un modo sistematico per testare idee sulla gravità che vanno oltre la relatività generale di Einstein. Stabilisce un ponte tra gli aggiustamenti teorici proposti per correggere le curve di rotazione galattica e le massicce strutture osservabili del cosmo. Mostrando che i dati attuali non trovano un vantaggio statisticamente significativo per il modello modificato rispetto a quello standard, pur consentendo un marginale miglioramento del fit, lo studio rafforza la robustezza della nostra attuale immagine cosmologica pur riconoscendo la praticabilità delle alternative. Eppure, identificando esattamente dove e come queste teorie alternative potrebbero ancora nascondersi, esso indica la strada da seguire per le osservazioni future. L'universo, sembra, continua a custodire i suoi segreti, ma ora abbiamo una mappa più chiara di dove cercare.