Is dark matter real, or have we misunderstood the gravity ? / La materia oscura è reale o abbiamo frainteso la gravità?

Is dark matter real, or have we misunderstood the gravity ? / La materia oscura è reale o abbiamo frainteso la gravità? 

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

For many years now, astronomers and

 physicistshave been in a conflict. Is the mysterious

 dark matter that we observe deep in the Universe

 real, or is what we see the result of subtle

 deviations from the laws of gravity as we know

 them? In 2016, Dutch physicist Erik Verlinde

 proposed a theory of the second kind: emergent

 gravity. New research, published in Astronomy &

 Astrophysics this week, pushes the limits of dark

 matter observations to the unknown outer regions

 of galaxies, and in doing so re-evaluates several

 dark matter models and alternative theories of

 gravity.

Measurements of the gravity of 259,000 isolated

 galaxies show a very close relation between the

 contributions of dark matter and those of ordinary

 matter, as predicted in Verlinde's theory of

 emergent gravity and an alternative model called

 Modified Newtonian Dynamics. However, the

 results also appear to agree with a computer

 simulation of the Universe that assumes that dark

 matter is 'real stuff'.

The new research was carried out by an

 international team of astronomers, led by Margot

 Brouwer (RUG and UvA). Further important roles

 were played by Kyle Oman (RUG and Durham

 University) and Edwin Valentijn (RUG). In 2016,

 Brouwer also performed a first test of Verlinde's

 ideas; this time, Verlinde himself also joined the

 research team.

Matter or gravity?

So far, dark matter has never been observed directly

—hence the name. What astronomers observe in

 the night sky are the consequences of matter that is

 potentially present: bending of starlight, stars that

 move faster than expected, and even effects on the

 motion of entire galaxies. Without a doubt all of

 these effects are caused by gravity, but the question

 is: are we truly observing additional gravity,

 caused by invisible matter, or are the laws of

 gravity themselves the thing that we haven't fully

 understood yet?

To answer this question, the new research uses a

 similar method to the one used in the original test

 in 2016. Brouwer and her colleagues make use of

 an ongoing series of photographic measurements

 that started ten years ago: the KiloDegree Survey

 (KiDS), performed using ESO's VLT Survey

 Telescope in Chili. In these observations one

 measures how starlight from far away galaxies is

 bent by gravity on its way to our telescopes.

 Whereas in 2016 the measurements of such 'lens

 effects' only covered an area of about 180 square

 degrees on the night sky, in the mean time this has

 been extended to about 1000 square degrees—

allowing the researchers to measure the distribution

 of gravity in around a million different galaxies.

Comparative testing

Brouwer and her colleagues selected over 259,000

 isolated galaxies, for which they were able to

 measure the so-called 'Radial Acceleration

 Relation' (RAR). This RAR compares the amount

 of gravity expected based on the visible matter in

 the galaxy, to the amount of gravity that is actually

 present—in other words: the result shows how

 much 'extra' gravity there is, in addition to that due

 to normal matter. Until now, the amount of extra

 gravity had only been determined in the outer

 regions of galaxies by observing the motions of

 stars, and in a region about five times larger by

 measuring the rotational velocity of cold gas.

 Using the lensing effects of gravity, the researchers

 were now able to determine the RAR at

 gravitational strengths which were one hundred

 times smaller, allowing them to penetrate much

 deeper into the regions far outside the individual

 galaxies.

This made it possible to measure the extra gravity

 extremely precisely—but is this gravity the result

 of invisible dark matter, or do we need to improve

 our understanding of gravity itself? Author Kyle

 Oman indicates that the assumption of 'real stuff' at

 least partially appears to work: "In our research,

 we compare the measurements to four different

 theoretical models: two that assume the existence

 of dark matter and form the base of computer

 simulations of our universe, and two that modify

 the laws of gravity—Erik Verlinde's model of

 emergent gravity and the so-called 'Modified

 Newtonian Dynamics' or MOND. One of the two

 dark matter simulations, MICE, makes predictions

 that match our measurements very nicely. It came

 as a surprise to us that the other simulation,

 BAHAMAS, led to very different predictions. That

 the predictions of the two models differed at all

 was already surprising, since the models are so

 similar. But moreover, we would have expected

 that if a difference would show up, BAHAMAS

 was going to perform best. BAHAMAS is a much

 more detailed model than MICE, approaching our

 current understanding of how galaxies form in a

 universe with dark matter much closer. Still, MICE

 performs better if we compare its predictions to our

 measurements. In the future, based on our findings,

 we want to further investigate what causes the

 differences between the simulations."

Young and old galaxies

Thus it seems that, at least one dark matter model

 does appear to work. However, the alternative

 models of gravity also predict the measured RAR

. A standoff, it seems—so how do we find out

 which model is correct? Margot Brouwer, who led

 the research team, continues: "Based on our tests

, our original conclusion was that the two

 alternative gravity models and MICE matched the

 observations reasonably well. However, the most

 exciting part was yet to come: because we had

 access to over 259,000 galaxies, we could divide

 them into several types—relatively young, blue

 spiral galaxies versus relatively old, red elliptical

 galaxies." Those two types of galaxies come about

 in very different ways: red elliptical galaxies form

 when different galaxies interact, for example when

 two blue spiral galaxies pass by each other closely,

 or even collide. As a result, the expectation within

 the particle theory of dark matter is that the ratio

 between regular and dark matter in the different

 types of galaxies can vary. Models such as

 Verlinde's theory and MOND on the other hand do

 not make use of dark matter particles, and

 therefore predict a fixed ratio between the expected

 and measured gravity in the two types of galaxies

—that is, independent of their type. Brouwer: "We

 discovered that the RARs for the two types of

 galaxies differed significantly. That would be a

 strong hint towards the existence of dark matter as

 a particle."

However, there is a caveat: gas. Many galaxies are

 probably surrounded by a diffuse cloud of hot gas,

 which is very difficult to observe. If it were the

 case that there is hardly any gas around young blue

 spiral galaxies, but that old red elliptical galaxies

 live in a large cloud of gas—of roughly the same

 mass as the stars themselves—then that could

 explain the difference in the RAR between the two

 types. To reach a final judgement on the measured

 difference, one would therefore also need to

 measure the amounts of diffuse gas—and this is

 exactly what is not possible using the KiDS

 telescopes. Other measurements have been done

 for a small group of around one hundred galaxies,

 and these measurements indeed found more gas

 around elliptical galaxies, but it is still unclear how

 representative those measurements are for the

 259,000 galaxies that were studied in the current

 research.

Dark matter for the win?

If it turns out that extra gas cannot explain the

 difference between the two types of galaxies, then

 the results of the measurements are easier to

 understand in terms of dark matter particles than in

 terms of alternative models of gravity. But even

 then, the matter is not settled yet. While the

 measured differences are hard to explain using

 MOND, Erik Verlinde still sees a way out for his

 own model. Verlinde: "My current model only

 applies to static, isolated, spherical galaxies, so it

 cannot be expected to distinguish the different

 types of galaxies. I view these results as a

 challenge and inspiration to develop an asy

mmetric, dynamical version of my theory, in which

 galaxies with a different shape and history can

 have a different amount of 'apparent dark matter'."

Therefore, even after the new measurements, the

 dispute between dark matter and alternative gravity

 theories is not settled yet. Still, the new results are

 a major step forward: if the measured difference in

 gravity between the two types of galaxies is

 correct, then the ultimate model, whichever one

 that is, will have to be precise enough to explain

 this difference. This means in particular that many

 existing models can be discarded, which

 considerably thins out the landscape of possible

 explanations. On top of that, the new research

 shows that systematic measurements of the hot gas

 around galaxies are necessary. Edwin Valentijn

 formulates is as follows: "As observational

 astronomers, we have reached the point where we

 are able to measure the extra gravity around

 galaxies more precisely than we can measure the

 amount of visible matter. The counterintuitive

 conclusion is that we must first measure the

 presence of ordinary matter in the form of hot gas

 around galaxies, before future telescopes such as

 Euclid can finally solve the mystery of dark

 matter."

ITALIANO

Per molti anni, astronomi e fisici sono stati in

 conflitto. La misteriosa materia oscura che

 osserviamo nel profondo dell'Universo è reale o

 ciò che vediamo è il risultato di sottili deviazioni

 dalle leggi di gravità così come le conosciamo?

 Nel 2016, il fisico olandese Erik Verlinde ha

 proposto una teoria del secondo tipo: la gravità

 emergente. Una nuova ricerca, pubblicata su

 Astronomy & Astrophysics questa settimana,

 spinge i limiti delle osservazioni della materia

 oscura verso le regioni esterne sconosciute delle

 galassie, e così facendo rivaluta diversi modelli di

 materia oscura e teorie alternative della gravità.

Le misurazioni della gravità di 259.000 galassie

 isolate mostrano una relazione molto stretta tra i

 contributi della materia oscura e quelli della

 materia ordinaria, come previsto nella teoria della

 gravità emergente di Verlinde ed in un modello

 alternativo chiamato Dinamica Newtoniana

 Modificata. Tuttavia, i risultati sembrano anche

 concordare con una simulazione al computer

 dell'Universo che presuppone che la materia oscura

 sia "roba reale"

La nuova ricerca è stata condotta da un gruppo

 internazionale di astronomi, guidato da Margot

 Brouwer (RUG e UvA). Altri ruoli importanti sono

 stati interpretati da Kyle Oman (RUG e Durham

 University) e Edwin Valentijn (RUG). Nel 2016

 Brouwer ha anche eseguito un primo test delle idee

 di Verlinde; questa volta, anche lo stesso Verlinde

 si è unito al gruppo di ricerca.

Materia o gravità?

Finora la materia oscura non è mai stata osservata

 direttamente, da cui il nome. Ciò che gli astronomi

 osservano nel cielo notturno sono le conseguenze

 della materia potenzialmente presente: flessione

 della luce delle stelle, stelle che si muovono più

 velocemente del previsto e persino effetti sul moto

 di intere galassie. Senza dubbio tutti questi effetti

 sono causati dalla gravità, ma la domanda è:

 stiamo davvero osservando una gravità aggiuntiva

, causata dalla materia invisibile, o le leggi di

 gravità stesse sono qualcosa che non abbiamo

 ancora compreso appieno?

Per rispondere a questa domanda, la nuova ricerca

 utilizza un metodo simile a quello utilizzato nel

 test originale del 2016. Brouwer ed i suoi colleghi

 si avvalgono di una serie continua di misurazioni

 fotografiche iniziata dieci anni fa: il KiloDegree

 Survey (KiDS), eseguito utilizzando il VLT Survey

 Telescope dell'ESO in Cile. In queste osservazioni

 si misura come la luce stellare proveniente da

 galassie lontane viene piegata dalla gravità nel suo

 cammino verso i nostri telescopi. Mentre nel 2016

 le misurazioni di tali "effetti lente" coprivano solo

 un'area di circa 180 gradi quadrati nel cielo

 notturno, nel frattempo questa è stata estesa a circa

 1000 gradi quadrati, consentendo ai ricercatori di

 misurare la distribuzione della gravità in circa un

 milione di galassie diverse.

Test comparativo

Brouwer e i suoi colleghi hanno selezionato oltre

 259.000 galassie isolate, per le quali sono stati in

 grado di misurare la cosiddetta "Radial

 Acceleration Relation" (RAR). Questo RAR

 confronta la quantità di gravità prevista in base alla

 materia visibile nella galassia, con la quantità di

 gravità effettivamente presente, in altre parole: il

 risultato mostra quanta gravità "extra" c'è, oltre a

 quella dovuta alla normale questione. Fino ad ora,

 la quantità di gravità extra era stata determinata

 solo nelle regioni esterne delle galassie osservando

 i moti delle stelle, ed in una regione circa cinque

 volte più grande misurando la velocità di rotazione

 del gas freddo. Utilizzando gli effetti di lente della

 gravità, i ricercatori sono stati ora in grado di

 determinare il RAR a intensità gravitazionali cento

 volte inferiori, consentendo loro di penetrare molto

 più in profondità nelle regioni molto al di fuori

 delle singole galassie.

Ciò ha reso possibile misurare la gravità extra in

 modo estremamente preciso, ma questa gravità è il

 risultato di materia oscura invisibile od abbiamo

 bisogno di migliorare la nostra comprensione della

 gravità stessa? L'autore Kyle Oman indica che

 l'ipotesi di "cose reali" almeno in parte sembra

 funzionare: "Nella nostra ricerca, confrontiamo le

 misurazioni con quattro diversi modelli teorici: due

 che presuppongono l'esistenza della materia oscura

 e costituiscono la base delle simulazioni al

 computer di il nostro universo e due che

 modificano le leggi di gravità: il modello di gravità

 emergente di Erik Verlinde e la cosiddetta

 "Dinamica newtoniana modificata" o MOND Una

 delle due simulazioni della materia oscura, MICE,

 fa previsioni che corrispondono molto bene alle

 nostre misurazioni. È stata una sorpresa per noi che

 l'altra simulazione, BAHAMAS, portasse a

 previsioni molto diverse. Che le previsioni dei due

 modelli differissero del tutto era già sorprendente,

 dal momento che i modelli sono così simili. Ma

 inoltre, ci saremmo aspettati che se si sarebbe

 manifestata una differenza, BAHAMAS avrebbe

 dato i migliori risultati BAHAMAS è un modello

 molto più dettagliato di MICE, avvicinandosi alla

 nostra attuale comprensione di come si formano le

 galassie in un universo con la materia oscura molto

 più vicina . Tuttavia, MICE ha prestazioni migliori

 se confrontiamo le sue previsioni con le nostre

 misurazioni. In futuro, sulla base delle nostre

 scoperte, vogliamo indagare ulteriormente su cosa

 causa le differenze tra le simulazioni".

Giovani e vecchie galassie

Quindi sembra che almeno un modello di materia oscura sembri funzionare. Tuttavia, i modelli alternativi di gravità prevedono anche il RAR misurato. Una situazione di stallo, a quanto pare, quindi come facciamo a scoprire quale modello è corretto? Margot Brouwer, che ha guidato il gruppo di ricerca, continua: "Sulla base dei nostri test, la nostra conclusione originale era che i due modelli di gravità alternativi e MICE corrispondevano ragionevolmente bene alle osservazioni. Tuttavia, la parte più eccitante doveva ancora venire: perché avevamo accesso a oltre 259.000 galassie, potremmo suddividerle in diversi tipi: galassie a spirale blu relativamente giovani rispetto a galassie ellittiche rosse relativamente vecchie". Questi due tipi di galassie si formano in modi molto diversi: le galassie ellittiche rosse si formano quando diverse galassie interagiscono, ad esempio quando due galassie a spirale blu passano l'una vicino all'altra o addirittura si scontrano. Di conseguenza, l'aspettativa all'interno della teoria delle particelle della materia oscura è che il rapporto tra materia regolare e materia oscura nei diversi tipi di galassie può variare. Modelli come la teoria di Verlinde e MOND, d'altro canto, non fanno uso di particelle di materia oscura, e quindi prevedono un rapporto fisso tra la gravità attesa e misurata nei due tipi di galassie, cioè indipendente dal loro tipo. Brouwer: "Abbiamo scoperto che i RAR per i due tipi di galassie differivano in modo significativo. Questo sarebbe un forte indizio dell'esistenza della materia oscura come particella".

Tuttavia, c'è un avvertimento: il gas. Molte galassie sono probabilmente circondate da una nube diffusa di gas caldo, molto difficile da osservare. Se fosse vero che non c'è quasi nessun gas intorno alle giovani galassie a spirale blu, ma che le vecchie galassie ellittiche rosse vivono in una grande nube di gas, all'incirca della stessa massa delle stelle stesse, allora questo potrebbe spiegare la differenza nel RAR tra i due tipi. Per giungere ad un giudizio definitivo sulla differenza misurata, sarebbe quindi necessario misurare anche le quantità di gas diffuso, e questo è esattamente ciò che non è possibile utilizzando i telescopi KiDS. Altre misurazioni sono state fatte per un piccolo gruppo di circa un centinaio di galassie, e queste misurazioni hanno effettivamente trovato più gas intorno alle galassie ellittiche, ma non è ancora chiaro quanto siano rappresentative quelle misurazioni per le 259.000 galassie che sono state studiate nella ricerca attuale

Materia oscura per la vittoria?

Se si scopre che il gas extra non può spiegare la differenza tra i due tipi di galassie, allora i risultati delle misurazioni sono più facili da capire in termini di particelle di materia oscura che in termini di modelli alternativi di gravità. Ma anche allora, la questione non è ancora risolta. Mentre le differenze misurate sono difficili da spiegare usando MOND, Erik Verlinde vede ancora una via d'uscita per il suo modello. Verlinde: "Il mio modello attuale si applica solo a galassie statiche, isolate e sferiche, quindi non ci si può aspettare che distingua i diversi tipi di galassie. Considero questi risultati come una sfida ed un'ispirazione per sviluppare una versione asimmetrica e dinamica della mia teoria, in quali galassie con una forma ed una storia diversa possono avere una diversa quantità di "materia oscura apparente".

Pertanto, anche dopo le nuove misurazioni, la disputa tra la materia oscura e le teorie gravitazionali alternative non è ancora risolta. Tuttavia, i nuovi risultati rappresentano un importante passo avanti: se la differenza di gravità misurata tra i due tipi di galassie è corretta, allora il modello definitivo, qualunque esso sia, dovrà essere abbastanza preciso da spiegare questa differenza. Ciò significa in particolare che molti modelli esistenti possono essere scartati, il che assottiglia notevolmente il panorama delle possibili spiegazioni. Inoltre, la nuova ricerca mostra che sono necessarie misurazioni sistematiche del gas caldo intorno alle galassie. Edwin Valentijn formula quanto segue: "Come astronomi osservativi, abbiamo raggiunto il punto in cui siamo in grado di misurare la gravità extra attorno alle galassie in modo più preciso di quanto possiamo misurare la quantità di materia visibile. La conclusione controintuitiva è che dobbiamo prima misurare la presenza di materia ordinaria sotto forma di gas caldo attorno alle galassie, prima che futuri telescopi come Euclid possano finalmente risolvere il mistero della materia oscura".

Da:

https://www.freeastroscience.com/2021/06/is-dark-matter-real-or-have-we.html