Materia oscura: una nueva teoría de la gravedad


Podemos modelar los movimientos de los planetas en el Sistema Solar con bastante precisión usando las leyes de la física de Newton. Pero a principios de la década de 1970, los científicos notaron que esto no funcionaba para las galaxias de disco: las estrellas en sus bordes exteriores, lejos de la fuerza gravitacional de toda la materia en su centro, se movían mucho más rápido de lo que predijo la teoría de Newton.

La galaxia espiral barrada UGC 12158. Crédito: Wikimedia, CC BY-SA

Esto hizo que los físicos propusieran que una sustancia invisible llamada «materia oscura» proporcionaba una atracción gravitacional adicional, lo que provocaba que las estrellas se aceleraran, una teoría que se ha vuelto muy popular. Sin embargo, en una revisión reciente, mis colegas y yo sugerimos que las observaciones en una amplia gama de escalas se explican mucho mejor en una teoría alternativa de la gravedad propuesta por el físico israelí Mordehai Milgrom en 1982 llamada Dinámica milgromiana o Mond, que no requiere materia invisible.

El principal postulado de Mond es que cuando la gravedad se vuelve muy débil, como ocurre en el borde de las galaxias, comienza a comportarse de manera diferente a la física newtoniana. De esta manera, es posible explicar por qué las estrellas, los planetas y el gas en las afueras de más de 150 galaxias giran más rápido de lo esperado basándose solo en su masa visible. Pero Mond no se limita a explicar tales curvas de rotación; en muchos casos, las predice.

Los filósofos de la ciencia han argumentado que este poder de predicción hace que Mond sea superior al modelo cosmológico estándar, que propone que hay más materia oscura en el universo que materia visible. Esto se debe a que, según este modelo, las galaxias tienen una cantidad muy incierta de materia oscura que depende de los detalles de cómo se formó la galaxia, que no siempre conocemos. Esto hace que sea imposible predecir qué tan rápido deberían rotar las galaxias. Pero tales predicciones se hacen rutinariamente con Mond, y hasta ahora se han confirmado.

Imagine que conocemos la distribución de la masa visible en una galaxia pero aún no conocemos su velocidad de rotación. En el modelo cosmológico estándar, solo sería posible decir con cierta confianza que la velocidad de rotación será de entre 100 y 300 km/s en las afueras. Mond hace una predicción más definida de que la velocidad de rotación debe estar en el rango de 180 a 190 km/s.

Si las observaciones posteriores revelan una velocidad de rotación de 188 km/s, entonces esto es consistente con ambas teorías, pero claramente se prefiere Mond. Esta es una versión moderna de la navaja de Occam: que la solución más simple es preferible a las más complejas, en este caso, debemos explicar las observaciones con la menor cantidad posible de «parámetros libres». Los parámetros libres son constantes, ciertos números que debemos introducir en las ecuaciones para que funcionen. Pero no están dados por la teoría en sí misma, no hay razón para que tengan un valor particular, por lo que tenemos que medirlos mediante la observación. Un ejemplo es la constante de gravitación, G, en la teoría de la gravedad de Newton o la cantidad de materia oscura en las galaxias dentro del modelo cosmológico estándar.

Comparación del modelo cosmológico estándar con observaciones basadas en qué tan bien los datos coinciden con la teoría (mejorando de abajo hacia arriba) y cuánta flexibilidad tenían en el ajuste (aumentando de izquierda a derecha). El círculo hueco no se cuenta en nuestra evaluación, ya que esos datos se utilizaron para establecer parámetros libres. Reproducido de la tabla 3 de nuestra revisión. Crédito: Arxiv

Introdujimos un concepto conocido como «flexibilidad teórica» ​​para capturar la idea subyacente de la navaja de Occam de que una teoría con más parámetros libres es consistente con una gama más amplia de datos, lo que la hace más compleja. En nuestra revisión, usamos este concepto cuando probamos el modelo cosmológico estándar y Mond contra varias observaciones astronómicas, como la rotación de galaxias y los movimientos dentro de los cúmulos de galaxias.

Cada vez, dimos una puntuación de flexibilidad teórica entre -2 y +2. Una puntuación de -2 indica que un modelo hace una predicción clara y precisa sin echar un vistazo a los datos. Por el contrario, +2 implica «todo vale»: los teóricos habrían podido ajustar casi cualquier resultado de observación plausible (porque hay tantos parámetros libres). También calificamos qué tan bien cada modelo coincide con las observaciones, con +2 indicando un excelente acuerdo y -2 reservado para las observaciones que muestran claramente que la teoría es incorrecta. Luego restamos la puntuación de flexibilidad teórica de la del acuerdo con las observaciones, ya que hacer coincidir bien los datos es bueno, pero ser capaz de ajustar cualquier cosa es malo.

Una buena teoría haría predicciones claras que luego se confirmarían, idealmente obteniendo una puntuación combinada de +4 en muchas pruebas diferentes (+2 -(-2) = +4). Una mala teoría obtendría una puntuación entre 0 y -4 (-2 -(+2)= -4). Las predicciones precisas fallarían en este caso; es poco probable que funcionen con la física incorrecta.

Encontramos un puntaje promedio para el modelo cosmológico estándar de -0.25 en 32 pruebas, mientras que Mond logró un promedio de +1.69 en 29 pruebas. Las puntuaciones de cada teoría en muchas pruebas diferentes se muestran en las figuras 1 y 2 a continuación para el modelo cosmológico estándar y Mond, respectivamente.

Inmediatamente es evidente que no se identificaron problemas importantes para Mond, lo que al menos concuerda plausiblemente con todos los datos (observe que las dos filas inferiores que denotan falsificaciones están en blanco en la figura a continuación).

Los problemas con la materia oscura

Una de las fallas más llamativas del modelo cosmológico estándar se relaciona con las «barras de galaxias» (regiones brillantes en forma de bastón hechas de estrellas) que las galaxias espirales suelen tener en sus regiones centrales (ver imagen principal). Las barras giran con el tiempo. Si las galaxias estuvieran incrustadas en halos masivos de materia oscura, sus barras se desacelerarían. Sin embargo, la mayoría, si no todas, las barras de galaxias observadas son rápidas. Esto falsifica el modelo cosmológico estándar con una confianza muy alta.

La galaxia espiral barrada UGC 12158. Crédito: Wikimedia, CC BY-SA

Otro problema es que los modelos originales que sugerían que las galaxias tienen halos de materia oscura cometieron un gran error: asumieron que las partículas de materia oscura proporcionaban gravedad a la materia que las rodeaba, pero no se veían afectadas por la atracción gravitacional de la materia normal. Esto simplificó los cálculos, pero no refleja la realidad. Cuando esto se tuvo en cuenta en simulaciones posteriores, quedó claro que los halos de materia oscura alrededor de las galaxias no explican de forma fiable sus propiedades.

Hay muchas otras fallas del modelo cosmológico estándar que investigamos en nuestra revisión, con Mond a menudo capaz de explicar naturalmente las observaciones. Sin embargo, la razón por la que el modelo cosmológico estándar es tan popular podría deberse a errores de cálculo o conocimiento limitado sobre sus fallas, algunas de las cuales se descubrieron recientemente. También podría deberse a la renuencia de la gente a modificar una teoría de la gravedad que ha tenido tanto éxito en muchas otras áreas de la física.

La enorme ventaja de Mond sobre el modelo cosmológico estándar en nuestro estudio nos llevó a concluir que las observaciones disponibles favorecen fuertemente a Mond. Si bien no afirmamos que Mond sea perfecto, todavía creemos que tiene el panorama general correcto: las galaxias realmente carecen de materia oscura.

Con información de Phys.org

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