La hipótesis de la materia oscura no es perfecta, pero las alternativas son peores


Puede que no seas un fanático de la materia oscura, la partícula hipotética que constituye la mayor parte de la masa del universo. Y es cierto que la hipótesis de la materia oscura tiene sus defectos y, por supuesto, todavía no hemos encontrado ninguna partícula de materia oscura. Pero lo cierto es que las alternativas son mucho peores.

El universo está lleno de misterios inexplicables (que es lo que mantiene a los astrónomos y astrofísicos felizmente empleados), y muchos de esos misterios están relacionados con la gravedad. Mientras observamos a las estrellas orbitar alrededor de los centros de sus galaxias, descubrimos que se están moviendo demasiado rápido dada la cantidad de materia visible que puede mantenerlas en esas órbitas con su gravedad.

La Pequeña Nube de Magallanes (SMC), en el centro, es la segunda galaxia satélite más grande que orbita la nuestra. Esta imagen superpone una fotografía del SMC con la mitad de un modelo de su materia oscura (a la derecha del centro). Los colores más claros indican una mayor densidad y muestran una fuerte concentración hacia el centro de la galaxia. El noventa y cinco por ciento de la materia oscura está contenida dentro de un círculo que traza el borde exterior del modelo que se muestra. En seis años de datos, Fermi no encuentra indicios de rayos gamma de la materia oscura del SMC. (Crédito de la imagen: materia oscura, R. Caputo et al. 2016; fondo, Axel Mellinger, Universidad Central de Michigan)

Las galaxias que zumban alrededor de los cúmulos de galaxias también se mueven demasiado rápido dada la cantidad de masa visible en los cúmulos. Esos mismos grupos desvían demasiado la luz de fondo. Incluso las grandes estructuras surgieron en nuestro universo demasiado rápido sin una fuente adicional de masa.

La mejor hipótesis que tienen los científicos para explicar todas estas observaciones dispares es que existe un nuevo tipo de partícula, conocida como materia oscura, que habita en el cosmos. Esta partícula sería casi completamente invisible (de ahí el nombre), y rara vez (o nunca) interactuaría con la materia normal. Esta idea no es tan descabellada como parece; los neutrinos son partículas con exactamente estas propiedades. No tienen suficiente masa para explicar la materia oscura, pero muestran que tales partículas pueden existir.

Pero la hipótesis de la materia oscura no es perfecta. Las simulaciones por computadora del crecimiento de las galaxias sugieren que las galaxias dominadas por materia oscura deberían tener densidades increíblemente altas en sus centros. Las observaciones de galaxias reales muestran densidades más altas en sus núcleos, pero no lo suficiente como predijeron esas simulaciones. Además, las simulaciones de la evolución de la materia oscura en el universo predicen que cada galaxia debería tener cientos de satélites más pequeños, mientras que las observaciones siempre se quedan cortas.

El caso de MOND

Dado que la hipótesis de la materia oscura no es perfecta, y que no tenemos evidencia directa de la existencia de partículas candidatas, vale la pena explorar otras opciones.

Una de esas opciones se introdujo en la década de 1970 junto con la idea original de la materia oscura, cuando la astrónoma Vera Rubin descubrió por primera vez el problema de las estrellas que se mueven demasiado rápido dentro de las galaxias. Pero en lugar de agregar un nuevo ingrediente al universo, la alternativa cambia la receta al alterar cómo funciona la gravedad a escalas galácticas. La idea original se llama MOND, por «dinámica newtoniana modificada», pero el nombre también se aplica a la familia general de teorías que descienden de ese concepto original.

Con MOND, básicamente obtienes lo que dice la etiqueta. A escalas planetarias o del sistema solar, la gravedad de Newton funciona bien (excepto, por supuesto, donde necesita los cálculos más detallados de la gravedad proporcionados por la relatividad general). Pero una vez que creces, la F = ma habitual con la que estamos familiarizados no se aplica del todo, y la relación entre la fuerza y ​​la aceleración sigue una regla diferente.

Bajo MOND, no hay necesidad de una partícula adicional para explicar las observaciones, solo un ligero ajuste de la fuerza gravitacional. Y debido a que el ajuste de la gravedad bajo MOND está diseñado explícitamente para explicar los movimientos de las estrellas dentro de las galaxias, naturalmente lo hace muy bien. La teoría tampoco sufre por la sobreproducción de satélites y los núcleos galácticos extremadamente altos de materia oscura.

El campeón defectuoso

Pero MOND está lejos de ser perfecto. Las modificaciones hechas a la gravedad para explicar los movimientos estelares tienen problemas para explicar los movimientos de las galaxias dentro de los cúmulos y la formación de lentes de la luz de fondo. Y MOND no es una teoría completamente relativista (todas las teorías modernas de la física deben ser compatibles con la relatividad especial). Una actualización de MOND que es equivalente, llamada TeVeS, puede competir cara a cara con la relatividad general, y se queda corta. Los modelos basados en la gravedad modificada tienen problemas significativos para explicar el crecimiento de la estructura en el universo, las características del fondo cósmico de microondas y más, todos los lugares donde la materia oscura funciona bastante bien.

No existe una teoría similar a MOND que pueda dar cuenta de todas las observaciones cuando se trata de materia oscura; todos ellos fallan al menos una prueba. Si bien MOND aún puede ser preciso en lo que respecta a las curvas de rotación de galaxias, hay suficientes observaciones para decirnos que aún necesitaríamos materia oscura para existir en el universo.

No, la hipótesis de la materia oscura no es perfecta. Pero, de nuevo, ninguna hipótesis científica lo es. Al evaluar hipótesis contrapuestas, los científicos no pueden dejarse llevar por sus instintos o elegir una que suene mejor o parezca más simple. Tenemos que seguir la evidencia, dondequiera que nos lleve. En casi 50 años, nadie ha presentado una teoría similar a MOND que pueda explicar la gran cantidad de datos que tenemos sobre el universo. Eso no hace que MOND sea incorrecto, pero sí lo convierte en una alternativa mucho más débil que la materia oscura.

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