Gabriele Battistotti

Nel campo della fisica teorica e dell’astrofisica, uno dei problemi più dibattuti è quello relativo alla natura della materia oscura. Essa costituirebbe circa il 27% della materia dell’universo, ma non emette né assorbe luce, rendendola invisibile ai nostri strumenti di osservazione che non si basano sulla misura di campi gravitazionali. Un recente studio di Raymond Isichei e João Magueijo dell’Imperial College di Londra propone una spiegazione innovativa: i “vuoti attrattivi” (attractive voids).

Il problema del deficit e surplus di massa

In relatività generale la cosiddetta massa asintotica di un oggetto può differire dalla massa locale integrata su tutto il suo volume. Questo fenomeno, noto come deficit di massa, è stato studiato fin dagli anni ’70 e può essere interpretato come dovuto all’energia di legame gravitazionale. In altre parole, l’energia necessaria per mantenere insieme un oggetto riduce la massa totale osservabile dall’esterno. In alcuni casi, però può verificarsi anche un surplus di massa, caso in cui la massa asintotica è maggiore della massa locale integrata.

Il modello di Oppenheimer-Snyder

Per comprendere meglio questi concetti, possiamo esaminare il modello di Oppenheimer-Snyder (OS), un modello semplificato di collasso gravitazionale. Immaginiamo una sfera di polvere cosmica che collassa sotto la propria gravità. Nel modello OS, l’interno della sfera è descritto da una metrica di Friedmann-Robertson-Walker (FRW) chiusa, mentre l’esterno è descritto dalla soluzione di Schwarzschild.

Un punto chiave di questo modello è che la massa osservabile dall’esterno, data dalla metrica di Schwarzschild, può essere inferiore alla massa totale integrata all’interno della sfera. Questo è un esempio di deficit di massa. Al contrario, per una sfera con curvatura negativa (k=-1), possiamo avere un surplus di massa, ciò la massa esterna osservabile è maggiore della massa interna (sempre data da un integrale sul volume).

Vuoti attrattivi

Isichei e Magueijo propongono che questi fenomeni di deficit e surplus di massa possano contribuire alla nostra comprensione della materia oscura. In particolare, i vuoti attrattivi potrebbero spiegare parte della massa mancante dell’universo. Un vuoto attrattivo, come dice il nome, è una regione dello spazio che, nonostante la mancanza di materia visibile, esercita una forza gravitazionale in quanto la differenza di geometria dello spaziotempo fra zona più densa e zona meno densa provoca una curvatura dello spaziotempo che si può manifestare come gravità.

Modelli generalizzati

Gli autori estendono questi concetti utilizzando la metrica di Lemaitre-Tolman-Bondi (LTB), che descrive l’evoluzione di un universo sfericamente simmetrico ma non omogeneo. Questo permette di considerare scenari più complessi, come collassi gravitazionali non sferici o condizioni iniziali primordiali dell’universo.

Ad esempio possiamo avere una regione con curvatura negativa che collassa, creando un surplus di massa. Questo surplus potrebbe essere interpretato come una manifestazione della materia oscura. In altre parole, alcune delle attrazioni gravitazionali attribuite alla materia oscura potrebbero essere dovute a configurazioni dello spazio-tempo che generano massa apparente senza materia visibile.

La scoperta dei vuoti attraenti ha implicazioni profonde per la cosmologia. Se una parte della materia oscura è costituita da queste configurazioni (che hanno una natura profondamente relativistica), ciò potrebbe cambiare il modo in cui interpretiamo le osservazioni cosmologiche. Ad esempio, le galassie che sembrano avere masse superiori rispetto a quelle giustificate dalla materia visibile potrebbero essere influenzate da vuoti attrattivi nelle loro vicinanze o al loro interno.

Il lavoro di Isichei e Magueijo apre nuove prospettive nello studio della materia oscura, suggerendo che alcuni dei suoi effetti potrebbero essere dovuti a fenomeni relativistici piuttosto che a particelle esotiche. La comprensione di questi fenomeni potrebbe rivoluzionare la nostra visione del cosmo e delle sue componenti invisibili.