Può esistere la gravità senza massa? Un nuovo studio ipotizza questa condizione

Sia per le leggi rivoluzionarie di Newton che descrivono il suo effetto universale, sia per le teorie  di Einstein che vedono la gravità come una distorsione della struttura dello spazio-tempo, ritengono che la gravità esista solo in funzione della massa e che senza massa non possa esistere forza di ravità.

Ora un nuovo studio innovativo e contro-corrente suggerisce che la gravità può esistere senza massa, eliminando comodamente la necessità di una delle sostanze più elusive del nostro Universo e che sono state, sino ad ora, un problema: la materia oscura.

La materia oscura è un’ipotetica massa invisibile che si pensa costituisca l’85% della massa totale dell’Universo. Originariamente ideata per spiegare la tenuta delle galassie in caso di rotazione ad alta velocità, non è ancora stata osservata direttamente, il che ha portato i fisici a proporre ogni sorta di idee stravaganti per evitare di invocare questo materiale sfuggente come un modo per tappare i buchi nelle teorie attuali.

L’ultima proposta in questo senso proviene dall’astrofisico Richard Lieu dell’Università dell’Alabama a Huntsville, che ha suggerito che piuttosto che la materia oscura leghi le galassie e altri corpi tra loro, l’Universo potrebbe contenere strati sottili, simili a gusci, di ‘difetti topologici’ che danno origine alla gravità senza alcuna massa sottostante.

Lieu ha iniziato cercando di trovare un’altra soluzione alle equazioni di campo di Einstein, che mettono in relazione la curvatura dello spazio-tempo con la presenza di materia al suo interno.

Come descritto da Einstein nella sua teoria della relatività generale del 1915, lo spazio-tempo si incurva intorno ai fasci di materia e ai flussi di radiazioni nell’Universo, a seconda della loro energia e della loro quantità di moto. L’energia è, ovviamente, correlata alla massa nella famosa equazione di Einstein: E=mc2.

Quindi la massa di un oggetto è legata alla sua energia, che piega lo spazio-tempo – e questa curvatura dello spazio-tempo è ciò che Einstein ha descritto come gravità, una nota più sofisticata rispetto all’approssimazione di Newton del 17° secolo, che vedeva la gravità come una forza tra due oggetti con massa. In altre parole, la gravità sembra inestricabilmente legata alla massa.

Non è così, secondo Lieu.

Nel suo lavoro, Lieu ha cercato di risolvere una versione semplificata delle equazioni di campo di Einstein che consente una forza di gravitazione finita in assenza di massa rilevabile. Dice che i suoi sforzi sono stati “guidati dalla mia frustrazione per lo status quo, vale a dire la nozione dell’esistenza della materia oscura nonostante la mancanza di prove dirette per un intero secolo”.

La soluzione di Lieu consiste in difetti topologici a forma di guscio che potrebbero verificarsi in regioni di spazio molto compatte con una densità di materia molto elevata.

Questi insiemi di gusci concentrici contengono un sottile strato di massa positiva all’interno di uno strato esterno di massa negativa. Le due masse si annullano a vicenda, quindi la massa totale dei due strati è esattamente zero. Ma quando una stella si trova su questo guscio, sperimenta una grande forza gravitazionale che la trascina verso il centro del guscio.

“La tesi del mio articolo è che almeno le conchiglie che ipotizza siano prive di massa”, dice Lieu. Se questi suggerimenti controversi hanno un qualche peso, “non c’è più bisogno di perpetuare questa ricerca apparentemente infinita della materia oscura”, aggiunge Lieu.

La prossima domanda, quindi, è come confermare o confutare le conchiglie proposte da Lieu attraverso le osservazioni.

“La crescente frequenza di avvistamenti di formazioni ad anello e a guscio di galassie nell’Universo fornisce prove del tipo di sorgente qui proposto”, scrive Lieu nel suo articolo. Anche se ammette che la soluzione proposta è “altamente suggestiva” e non può da sola screditare l’ipotesi della materia oscura.

“Al massimo potrebbe essere un interessante esercizio matematico”, conclude Lieu. “Ma è la prima prova [matematica] che la gravità può esistere senza massa”.

Lo studio è stato pubblicato in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.