Combate cósmico: ahondando en la batalla entre la materia oscura y la gravedad modificada – Mundo Física

Imagínese si, de un solo golpe, con un pequeño ajuste en las leyes de la gravedad, pudiera eliminar la necesidad de toda la materia oscura del universo. Te librarías de una molesta partícula cuya existencia sólo se infiere y que hasta ahora ha desafiado el descubrimiento. En cambio, la reemplazarían con una teoría elegante que modifique el trabajo fundamental de Isaac Newton y Albert Einstein.

Al menos ese es el sueño de la dinámica newtoniana modificada, o MOND. Desarrollado por un físico israelí. Mordehai Milgrom y teórico estadounidense-israelí nacido en México jacob bekenstein a principios de la década de 1980, era su antídoto contra el popular paradigma de la “materia oscura”. Para ellos, la materia oscura era un complemento innecesario y torpe de la cosmología que, de ser real, significa que el 80% de la materia del cosmos es invisible.

En los 40 años transcurridos desde su concepción, los logros de MOND siguen siendo eclipsados ​​por la historia de amor de la cosmología con la materia oscura. MOND también ha luchado por explicar fenómenos a escalas mayores y menores que las galaxias individuales. Entonces, ¿MOND es algo que deberíamos tomar en serio después de todo?

Curvas curiosas

Nuestra historia comienza a finales de los años 1960, y en los años 1970, los astrónomos estadounidenses Vera Rubin y Kent Ford se dieron cuenta de que las estrellas en las afueras de las galaxias orbitaban tan rápido como las estrellas cercanas al centro, en aparente desafío a las leyes del movimiento orbital de Johannes Kepler. . Ilustraron esto en las curvas de rotación de las galaxias, esencialmente un gráfico de la velocidad orbital versus el radio desde el centro. En lugar de mostrar una pendiente negativa, los gráficos eran una línea plana. En algún lugar, había algo de gravedad adicional que arrastraba esas estrellas exteriores.

La materia oscura (una forma invisible de materia tan abundante que sería la fuerza gravitacional dominante en el universo) fue la solución popular. Hoy en día, el concepto de materia oscura está íntimamente entrelazado en nuestro modelo estándar de cosmología y es inherente a nuestra comprensión de cómo se forma la estructura del universo.

La imagen que forma la materia oscura es clara, pero no lo suficientemente clara para una pequeña comunidad de físicos y astrónomos que han evitado la cosmología de la materia oscura y han adoptado MOND. De hecho, tienen abundantes pruebas para su caso. En 2016 Stacy McGaugh de la Universidad Case Western Reserve midió las curvas de rotación de 153 galaxias (física Rev. Lett. 117 201101) y descubrió, con una precisión sin precedentes, que sus curvas de rotación son explicadas por MOND, sin necesidad de recurrir a un halo de materia oscura alrededor de cada galaxia. Al hacerlo, justificó la predicción de Milgrom.

"Yo afirmaría que MOND explica estas cosas mejor que la materia oscura, y la razón es su poder predictivo", dice McGaugh, un ex investigador de la materia oscura que ahora es un defensor de MOND, luego de una epifanía que lo vio cambiar de bando. Se refiere al hecho de que si conoces la masa visible (todas sus estrellas y gases) de una galaxia, entonces aplicando MOND puedes calcular cuáles serán las velocidades de rotación. En el paradigma de la materia oscura, no se pueden predecir las velocidades basándose en la presencia de materia oscura. En cambio, hay que medir la curva de rotación de la galaxia para inferir cuánta materia oscura hay presente. McGaugh sostiene que se trata de un razonamiento circular y no de una prueba de la materia oscura.

Cómo modificar la gravedad

Modificar las leyes de la gravedad podría ser un anatema para muchos físicos (tal es el poder de Newton y Einstein), pero no es algo tan descabellado. Después de todo, vivimos en un universo misterioso, lleno de enigmas científicos. ¿Cuál es la energía oscura responsable de la aceleración de la expansión del universo? ¿Por qué existe tensión en las diferentes mediciones de la tasa de expansión del universo? ¿Cómo se forman las galaxias con tanta rapidez en el universo primitivo, como lo atestigua el Hubble y Telescopios espaciales James Webb? Los investigadores analizan cada vez más las teorías de la gravedad modificada para proporcionar respuestas, pero no todos los modelos de gravedad modificados son iguales.

Lo que toda teoría de la gravedad modificada, incluida MOND, debe hacer es explicar por qué permanece oculta para nosotros en escalas cotidianas y solo entra en acción bajo ciertas condiciones.

tessa panadero, cosmóloga y gurú de la gravedad modificada de la Universidad de Portsmouth en el Reino Unido, ha construido su carrera probando las leyes de la gravedad y buscando modificaciones, en su caso para intentar explicar la energía oscura. "MOND, que es un ejemplo de teoría de la gravedad modificada, es inusual porque es una teoría que intenta reemplazar la materia oscura", explica Baker. "La mayoría de las teorías de la gravedad modificada no hacen eso".

Lo que toda teoría de la gravedad modificada, incluida la MOND, debe hacer es explicar por qué permanece oculta para nosotros en escalas cotidianas y solo entra en acción bajo ciertas condiciones. Los físicos llaman “detección” al punto en el que se produce esta transición, y todo es un problema de escala.

"La parte complicada es, ¿cómo se oculta la modificación en escalas en las que sabemos que la relatividad general funciona muy bien?" pregunta panadero. El lugar obvio para comenzar podría ser considerar si la gravedad varía en una escala de distancia, de modo que en nuestro sistema solar la gravedad se desvanece con la regla del cuadrado inverso, pero en la escala de los cúmulos de galaxias disminuye a un ritmo diferente. “Esto categóricamente no funciona”, afirma McGaugh, y añade que hay otras escalas que sí funcionan.

Por ejemplo, una teoría de la gravedad modificada con la que trabaja Baker, conocida como f(R) gravedad – generaliza la teoría general de la relatividad de Einstein. Bajo f(R), la gravedad activa el efecto de la energía oscura en áreas del espacio donde la densidad de la materia es lo suficientemente baja, como en los vacíos cósmicos. Para MOND, la escala del mecanismo de detección es la aceleración. Por debajo de una aceleración gravitacional característica denominada a₀ –que es aproximadamente 0.1 nanómetros por segundo al cuadrado– la gravedad opera de manera diferente.

En lugar de seguir la regla del cuadrado inverso, a aceleraciones por debajo a₀ la gravedad disminuye más lentamente, a la inversa de la distancia. Entonces, algo que orbite a cuatro veces la distancia sentiría un cuarto de la gravedad, no un decimosexto. Las bajas aceleraciones gravitacionales necesarias para ello son exactamente las que experimentan las estrellas en las afueras de las galaxias. “Entonces MOND activa esas modificaciones a bajas aceleraciones de la misma manera que f(R) la gravedad activa sus modificaciones a bajas densidades”, explica Baker.

Conflicto y controversia

MOND sobresale para galaxias individuales, pero dependiendo de con quién hables, quizás no le vaya tan bien en otros entornos. Y un fracaso en particular ya ha puesto a uno de los partidarios más acérrimos de MOND en contra de la teoría.

Un laboratorio ideal para probar MOND es aquel en el que no se esperaría que la materia oscura estuviera presente en grandes cantidades, lo que significa que cualquier anomalía gravitacional debería provenir simplemente de las propias leyes de la gravedad. Los sistemas estelares binarios anchos son uno de esos entornos que consisten en pares de estrellas de 500 AU o más. aparte (donde una unidad astronómica o AU es la distancia media entre la Tierra y el Sol). En separaciones tan grandes, el campo gravitacional que siente cada estrella es débil.

Gracias a la solución Misión espacial astrométrica Gaia de la Agencia Espacial Europea, los equipos de investigadores de MOND ahora han podido medir los movimientos de binarios anchos en busca de evidencia de MOND. Los resultados han sido controvertidos y contradictorios en términos de la supervivencia de MOND como teoría válida.

Un equipo, dirigido por Kyu-Hyun Chae de la Universidad Sejong de Seúl, llevó a cabo un análisis exhaustivo de 26,500 binarios de ancho y encontró movimientos orbitales que coincidían con las predicciones de MOND (apj 952 128). Esto fue respaldado por un trabajo anterior de Xavier Hernández de la Universidad Nacional Autónoma de México, quien elogió lo "emocionante" que fue el resultado de Chae. Pero no todos están convencidos.

En la Universidad de St Andrews en el Reino Unido, Indranil Banik Estaba trabajando en su propio proyecto de seis años para medir MOND en binarios amplios. Había publicado sus planes antes de tomar sus mediciones, asegurándose de tomarse el tiempo para hablar con otros expertos y obtener comentarios, afinando su método para que todos pudieran estar de acuerdo. Banik esperaba que sus resultados demostraran que MOND era real. “Obviamente esperaba que el escenario MOND funcionara”, afirma. "Así que fue una gran sorpresa que no fuera así".

En un artículo publicado a finales de 2023, Banik no encontró ninguna desviación de la gravedad newtoniana estándar (Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society 10.1093/mnras/stad3393). Los resultados fueron un duro golpe para él que sacudió el mundo de Banik, y declaró públicamente que MOND estaba equivocado, lo que le generó algunas críticas. Sin embargo, ¿por qué sus resultados deberían ser tan diferentes a los de Chae y Hernández? "Ciertamente, todavía sostienen que hay algo ahí", dice Banik. Sin embargo, se muestra escéptico ante sus resultados y cita diferencias en la forma en que abordaron las incertidumbres en sus mediciones.

Estos puntos de discordia son muy técnicos, por lo que tal vez no sea una sorpresa total que se haya llegado a diferentes interpretaciones. De hecho, para los de afuera es difícil saber quién tiene razón y quién no. "Es muy difícil saber cómo juzgar esto", admite McGaugh. "Ni siquiera me siento completamente calificado para juzgar en esas escalas, ¡y estoy mucho más calificado que la mayoría de la gente!"

Banik ve que MOND falla no sólo en los binarios amplios. También cita el caso de nuestro propio sistema solar. Uno de los principios centrales de MOND es el fenómeno del "efecto de campo externo", mediante el cual el campo gravitacional general de la Vía Láctea es capaz de imprimirse en sistemas más pequeños, como nuestro sistema solar. Deberíamos ver esta huella, particularmente en las órbitas de los planetas exteriores. Buscando este efecto a través de datos de seguimiento de radio de La nave espacial Cassini de la NASA, que orbitó alrededor de Saturno entre 2004 y 2017, no ha encontrado evidencia del efecto de campo externo en la órbita de Saturno.

"La gente está empezando a darse cuenta de que no hay manera de conciliar MOND con la no detección de efectos en los datos de Cassini y que MOND no funcionará en escalas inferiores a un año luz", dice Banik. Si Banik está en lo cierto, entonces deja a MOND en muy mal lugar, pero no es el único campo de batalla donde se libra la guerra de MOND contra la materia oscura.

Enigmas del cluster

En 2006, la NASA publicó un Espectacular imagen de dos cúmulos de galaxias en colisión, denominados en su forma combinada Cúmulo Bala. El Telescopio Espacial Hubble proporcionó vistas de alta resolución de la ubicación de las galaxias, mientras que las observaciones de rayos X del gas caliente entre esas galaxias provinieron del Observatorio de rayos X Chandra. A partir de la ubicación de las galaxias y del gas, así como del grado de lente gravitacional de la materia en el espacio curvado del cúmulo, los científicos pudieron calcular la ubicación de la materia oscura en el cúmulo.

"Se afirmó que el Bullet Cluster confirmaba la existencia de materia oscura, lo que se ha utilizado para argumentar fuertemente contra MOND", dice Pavel Kroupa, astrofísico de la Universidad de Bonn. "Bueno, resulta que la situación es exactamente la contraria".

Kroupa es feroz en su entusiasmo por MOND y se ha propuesto explorarlo en las escalas de estructura más grandes posibles: cúmulos de galaxias a gran escala. En su punto de mira está nada menos que el modelo estándar de cosmología, conocido coloquialmente como “lambda-CDM” o ΛCDM (Λ se refiere a la constante cosmológica, o el componente de energía oscura del universo, y CDM es materia oscura fría).

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Por un lado, Kroupa cree que cúmulos de galaxias tan enormes ni siquiera deberían existir, y mucho menos haber tenido tiempo de colisionar, con altos corrimientos al rojo. ΛCDM postula que las estructuras deberían crecer lentamente, y Kroupa sostiene que sería demasiado lento para lo que nos muestran nuestros telescopios: galaxias masivas y cúmulos enormes en el universo temprano. Más pertinentemente, es la dinámica de las colisiones de cúmulos lo que da esperanza a Kroupa. En particular, ΛCDM predice que las velocidades de las galaxias que caen en el pozo gravitacional del cúmulo combinado deberían ser mucho más bajas de lo que se observa.

"Las colisiones de cúmulos de galaxias están en completo desacuerdo con ΛCDM, mientras que están en concordancia bastante natural con MOND", dice Kroupa. A pesar del entusiasmo de Kroupa, McGaugh no está tan seguro. De hecho, cree que los cúmulos de galaxias son un problema real tanto para ΛCDM como para MOND.

"Es un desastre", reconoce. “En el caso de la materia oscura, las velocidades de colisión son demasiado altas. La gente de la materia oscura ha ido y venido, argumentando que las velocidades son demasiado rápidas o no. Para MOND, los cúmulos de galaxias muestran una discrepancia de masa incluso después de aplicar MOND. Los clusters me preocupan porque simplemente no veo una buena salida a eso”.

¿Una teoría del todo?

Se pueden debatir los clusters y los binarios amplios indefinidamente hasta que uno u otro lado admita la derrota. Pero quizás la crítica más seria dirigida a MOND haya sido su absoluta falta de un modelo cosmológico viable. Está muy bien intentar reemplazar la materia oscura con gravedad modificada en las galaxias, pero para que la teoría finalmente tenga éxito debe explicar todo lo que la materia oscura puede hacer y más. Esto significa que debe ser un rival del ΛCDM a la hora de explicar lo que vemos en el fondo cósmico de microondas (CMB): la radiación de microondas primordial que llena el universo.

El CMB a menudo se caracteriza como la “bola de fuego del big bang”, pero es más que eso. Impresos en él en forma de sutiles variaciones de temperatura desde sólo 379,000 años después del Big Bang están lo que llamamos anisotropías, correspondientes a regiones de densidad ligeramente mayor o menor formadas por ondas acústicas que reverberaron a través del plasma primordial. Éstas son las semillas de la formación de estructuras en el universo. De estas semillas surgió la “red cósmica”, una red de filamentos de materia a lo largo de la cual crecen las galaxias y, donde se unen los filamentos, grandes cúmulos de galaxias.

MOND fue ideado para explicar las curvas de rotación de las galaxias basándose en Newton, no en Einstein. Bekenstein tardó otros 20 años en idear un modelo relativista de MOND que pudiera aplicarse a la cosmología moderna. Llamada gravedad tensorial-vectorial-escalar (TeVeS), resultó impopular y tuvo dificultades para explicar el tamaño del tercer pico acústico en las anisotropías que en el modelo estándar es atribuible a la materia oscura, así como las limitaciones en el modelado de lentes gravitacionales y ondas gravitacionales. .

Mucha gente pensaba que el problema de un modelo relativista de MOND era tan difícil que no era posible. Luego, en 2021 Constantinos Skordis y Tom Zlośnik de la Academia Checa de Ciencias demostró que todo el mundo estaba equivocado. En su modelo, el dúo introdujo campos vectoriales y escalares que modifican la gravedad y que operan en el universo temprano para crear efectos gravitacionales que imitan la materia oscura, antes de evolucionar con el tiempo para parecerse a la teoría MOND regular en el universo moderno.física Rev. Lett. 127 161302).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-4.jpg" data-caption="rompecabezas del cielo La misión Planck cartografió el fondo cósmico de microondas. La interpretación ampliamente aceptada de los datos es que el universo está compuesto por alrededor de un 4.9% de materia ordinaria, un 26.8% de materia oscura y un 68.3% de energía oscura. Inicialmente, la teoría MOND no podía explicar las variaciones de temperatura reveladas por misiones como Planck. En 2021, Constantinos Skordis y Tom Złośnik crearon un modelo inspirado en MOND que coincide tanto con los datos de Planck como con los modelos de materia oscura. (Cortesía: ESA y Planck Collaboration)” title=”Haga clic para abrir la imagen en la ventana emergente” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the -batalla-entre-la-materia-oscura-y-la-fisica-de-gravedad-modificada-mundo-4.jpg”>

Dada la tortuosa historia de intentar desarrollar un modelo relativista de MOND, McGaugh cree que es un "logro notable" poder escribir una teoría que se ajuste al fondo de microondas. El modelo de Skordis y Złośnik no es perfecto. Al igual que TeVeS, tiene dificultades para explicar la cantidad de lentes gravitacionales que observamos en el universo. Banik también destaca las dificultades del modelo, diciendo que "tuvo dificultades porque no proporciona una buena explicación para los cúmulos de galaxias".

Baker se hace eco de estas preocupaciones. “Si bien fue un buen paso adelante para MOND poder hacer eso”, dice, “no creo que fuera suficiente para que MOND volviera a la corriente principal. La razón es que [Skordis y Złośnik] le han añadido muchos campos adicionales, muchas campanas y silbidos, y realmente pierde elegancia. Funciona con el CMB, pero parece muy antinatural”.

Quizás estemos poniendo un peso excesivo sobre los hombros del modelo. Podría verse sólo como un comienzo, una prueba de concepto. "No sé si ésta es la teoría definitiva o incluso el camino correcto", dice McGaugh. "Pero la gente ha estado diciendo que no se puede hacer, y lo que Skordis y Złośnik han demostrado es que se puede hacer, y eso es un importante paso adelante".

MOND continúa fascinando, frustrando y fomentando el desdén de los discípulos de la materia oscura. Todavía queda un largo camino por recorrer para que la comunidad científica lo considere un rival de peso pesado del ΛCDM, y ciertamente se ve obstaculizado por tener relativamente poca gente trabajando en él, lo que significa que el progreso es lento.

Pero no se deben ignorar los éxitos que ha tenido esta teoría advenediza, dice McGaugh. Al menos, debería mantener a los astrónomos trabajando con el modelo convencional de materia oscura alerta.

• En la segunda parte de la serie de tres partes de Keith Cooper, explorará algunos de los éxitos recientes de la materia oscura y los serios desafíos que también enfrenta.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/