En octubre, LIGO y su contraparte europea, VIRGO, presenciaron ondas gravitacionales que surgieron de una impresionante colisión entre dos estrellas de neutrones. Este evento sin precedentes parecía otro triunfo más para un nuevo tipo de astronomía, uno que podría usar ondas gravitacionales para explorar algunos de los misterios más profundos del universo. Pero con toda la emoción, la mayoría de las personas no se dieron cuenta de que algo había muerto: todo un grupo de teorías que postulan un universo sin materia oscura.
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Así es: una consecuencia menos conocida de las noticias de LIGO es que podemos estar a punto de ver una remodelación significativa del debate sobre la materia oscura, lo que parece estar atrayendo gravitacionalmente el material visible y el espacio de flexión, pero no se puede ver . Según un artículo publicado en el servidor de preimpresión ArXiv por Richard Woodard, profesor de física en la Universidad de Florida, la observación reciente anula una clase de teorías que buscaban explicar el comportamiento de la gravedad en escalas del tamaño de galaxias sin materia oscura.
Woodard señala que algunas de esas teorías, conocidas como gravedad modificada (MOG) o dinámica newtoniana modificada (MOND), predicen que las ondas gravitacionales y las ondas de luz llegarían en diferentes momentos. Sin embargo, LIGO recogió las ondas gravitacionales y la luz de dos estrellas de neutrones en colisión dentro de unos 2 segundos entre sí. Dado que la fuente de ambos estaba a 130 millones de años luz de distancia, esa es una diferencia de solo 1 parte en aproximadamente 1.5 billones. Esencialmente, llegaron al mismo tiempo.
Los tipos de modelos de los que habla Woodard, a los que llama "emuladores de materia oscura", intentan duplicar los efectos de la materia oscura, suponiendo que la gravedad se comporta de manera diferente a lo que piensan la mayoría de los científicos. "Nuestro documento definitivamente no descarta todos los modelos de gravedad modificados que prescinden de la materia oscura", aclaró Woodard. "Se aplica solo a la gran clase de ellos".
Sin embargo, si bien pueden haber enfrentado un golpe, los teóricos de la materia anti-oscura no van a caer sin luchar.
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En la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, el espacio está curvado por objetos masivos. Un haz de fotones, también conocido como luz, viaja a lo largo de la distancia más corta entre dos puntos (que no siempre es una línea recta). La relatividad general dice que las ondas gravitacionales y la luz se mueven en las mismas líneas o métricas.
Pero si bien la relatividad general se ha reivindicado últimamente, no es la última palabra. Algunas teorías alternativas de la gravedad tenían ondas gravitacionales que se movían en un camino diferente, o métrico, desde la luz. Para obtener este efecto, una teoría de la gravedad modificada tendría que plantear que las rutas de las ondas gravitacionales se ven afectadas solo por la materia visible que vemos, mientras que la luz (fotones) se vería afectada por la materia visible y cualquier efecto duplicado que parezca materia oscura.
En ese escenario, las ondas gravitacionales y la luz llegarían en momentos muy diferentes. Pero dado que LIGO vio a ambos llegar tan cerca el uno del otro, parece una poderosa evidencia de que la gravedad funciona como lo dice la teoría de Einstein, lo que a su vez reforzaría el caso de la materia oscura.
Sin embargo, mucho antes de LIGO, algunos físicos no estaban satisfechos con la materia oscura e idearon otras teorías que buscaban explicar lo que ven los astrónomos. Un conjunto de teorías se conoce como Tensor-vector-escalar gravedad (TeVeS), que agrega un campo adicional a la gravedad. Desarrollado por Jacob Bekenstein en 2004, ya estaba bajo fuego porque parecía requerir neutrinos más masivos de lo que los físicos han estimado hasta ahora, y no siempre produjo estrellas estables. Scalar-Tensor-Vector-Gravity (STVG) también agrega otro campo, aunque de manera diferente a TeVeS. La teoría dice que la gravedad se fortalece a medida que escala del sistema solar a las galaxias y luego a los cúmulos de galaxias. Son las dos clases de teorías que Woodard dice que están descartadas por los últimos datos.
Uno pensaría que los físicos finalmente aceptarían que la materia oscura está ahí afuera, en cualquier forma que sea. ¿Correcto? Bueno, los defensores de la gravedad modificada dicen que aún no han terminado.
John Moffat, investigador del Perimeter Institute en Waterloo, Canadá, dice que Woodard simplemente describió mal su teoría. "No proporcionan ninguna explicación de por qué mi MOG está falsificado", dijo en un correo electrónico. "Es cierto que estas teorías MOND están excluidas por los datos de la fusión de la estrella de neutrones. Por lo tanto, parece que mi MOG es la única teoría de la gravedad sobreviviente que puede explicar la galaxia, los datos del cúmulo de galaxias y los datos de cosmología sin materia oscura detectable en el universo actual ". Moffat dice que su teoría, de hecho, predice que la luz y las ondas gravitacionales llegarían al mismo tiempo.
"La mejor manera de interpretar este resultado no es demostrando que la materia oscura es correcta, sino más bien restringiendo la forma en que deben construirse las teorías de la gravedad modificadas si intentan prescindir de ella", dijo Woodard.
Diferentes caminos
En la década de 1970, el difunto astrónomo Vera Rubin, luego en la Carnegie Institution, descubrió que la materia visible no se movía más lentamente a medida que uno salía del centro galáctico (la forma en que los planetas se mueven más lentamente a medida que uno se aleja del sol). En cierto punto, todo se movía a la misma velocidad. O había mucha masa difusa alrededor de las galaxias que no podíamos ver, o la gravedad se comportaba de formas que antes no eran evidentes.
Las primeras explicaciones para el asunto invisible incluyeron: gas, planetas rebeldes, neutrinos e incluso agujeros negros. Finalmente, todos fueron descartados a favor de la concepción actual de la materia oscura como hecha de algo que solo interactúa por gravedad.
Sin embargo, algunos físicos consideraron que la idea de la materia oscura era demasiado conveniente, algo inventado solo para hacer que las matemáticas funcionen. Tal vez la gravedad funcionó de manera diferente a diferentes escalas, y la relatividad general simplemente no lo explicaba, teorizaron.
Mordehai Milgrom, profesor emérito del Instituto de Ciencia Weizmann en Israel, fue uno de los primeros teóricos de MOND y propuso su versión en la década de 1980. En esencia, su teoría propone que la dinámica gravitacional cambia cuando las aceleraciones debidas a la fuerza gravitacional se encuentran por debajo de cierto límite. También postula que la gravedad y la luz viajan en diferentes métricas.
En conjunto, estas teorías presentan, si no una amenaza seria, al menos las indicaciones de problemas con la materia oscura, hasta ahora ".
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La materia oscura no solo explica las curvas de rotación. También tuvo en cuenta las observaciones de lentes gravitacionales: la flexión de la luz por objetos masivos. Cuando observamos algunas galaxias distantes, vemos objetos detrás de ellas como a través de una lente, según la relatividad general. La luz se dobla por una cantidad que no puede explicarse por la masa visible. Esta fue otra evidencia de la materia oscura (o algo así).
La materia oscura también puede explicar por qué el fondo cósmico de microondas se ve de la manera en que se ve: es uniforme en promedio, pero a escalas más pequeñas es grumoso, como cabría esperar en un universo de materia oscura. "Una de las cosas de las que nunca hablan los teóricos de la materia oscura es que, si no tienes materia oscura, no tienes golpes en el [fondo cósmico de microondas]", dice Will Kinney, profesor de física en el Universidad de Buffalo. "Que yo sepa, ninguna de las teorías alternativas de la materia oscura tuvo alguna explicación para los baches en el espectro (fondo cósmico de microondas). Eso en sí mismo me dice que esas teorías no van a funcionar".
Un buen ejemplo es el cúmulo Bullet, una región del espacio en la que dos cúmulos de galaxias están colisionando. Las observaciones del clúster muestran efectos de lentes que no se alinean con la materia visible en él. Sin embargo, si se supone que la materia oscura está presente pero aún no se ha asentado alrededor del grupo, entonces la lente se ajusta a la teoría de la materia oscura, dijo Kinney.
El caso de MOND
Aun así, los arquitectos de la gravedad modificada contrarrestan los problemas que tiene la materia oscura. Una de ellas es una anomalía alrededor del Bullet Cluster, la misma que la mayoría diría que respalda la teoría de la materia oscura. Según algunas observaciones, el Bullet Cluster está acelerando demasiado rápido; Incluso suponiendo que la materia oscura las velocidades sean "incorrectas". Además, la materia oscura predice las velocidades de rotación de algunas galaxias menos bien que la gravedad modificada.
Además, algunas galaxias que parecen tener menos materia visible aún parecen más masivas. Eso podría deberse a una gran cantidad de materia oscura, pero no hay ninguna razón en particular que debería ser el caso. Las teorías de MOND funcionan mejor en ese puntaje. "MOND tiene más poder predictivo. Se puede usar para predecir la cinemática de galaxias aparentemente dominadas por la materia oscura. No se puede hacer la misma predicción con la materia oscura. Todo lo que se puede decir es 'Apuesto a que la galaxia de bajo brillo superficial tiene mucha oscuridad ¡importa! ", dijo Stacy McGaugh, astrofísica de la Universidad Case Western Reserve que ha trabajado en teorías de gravedad modificadas." Esto se basa en la experiencia previa, no en la teoría, para la cual no hay una predicción acordada ".
Otro tema es la distribución de dicho asunto. Milgrom señala que en casi todas las galaxias que se han observado hasta ahora, las curvas de rotación tienen la misma forma hasta el punto en que la aceleración debida a la gravedad hacia el centro es aproximadamente una diez billonésima parte de un metro por segundo al cuadrado (aproximadamente igual fuerza gravitacional sentida por alguien a dos metros de un peso de 10 kilogramos).
Si existe materia oscura, uno no esperaría que siempre se distribuya de la misma manera. Sería como ir a todos los países de la Tierra y descubrir que la distribución del ingreso era exactamente la misma, a pesar de las historias muy diferentes que tiene cada país.
"En el paradigma [de la materia oscura], la dinámica actual es el resultado de la historia complicada, cataclísmica e incognoscible de la galaxia individual en estudio: en cuántas fusiones sufrió y cuán violentas fueron, en la expulsión de bariones de la galaxia debido a varios procesos mal entendidos, etc. ", dice. Las teorías de MOND, agregó, hacen un mejor trabajo al predecir el movimiento de las galaxias en ese sentido.
Sin embargo, incluso Milgrom reconoce que hay algunas áreas que las teorías de MOND tampoco predicen, incluso en sus versiones relativistas de MOG, por ejemplo, que no reproducen el fondo de microondas cósmico observado. "Necesitamos una extensión de MOND que tenga en cuenta la cosmología. Esto es algo en lo que estamos trabajando".
Sabine Hossenfelder, investigadora del Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt en Alemania, está de acuerdo en que la observación de Woodard haría obsoletos algunos tipos de MOND o MOG, pero tampoco está convencida de que la respuesta sea materia oscura. "Es casi seguro que es correcto que la observación descarte las teorías con los supuestos que enumeran en el documento. Pero no está claro qué teorías de gravedad modificadas, si es que las hay, realmente cumplen los supuestos", dijo. En su blog, observó que la materia oscura funciona en todas las escalas, mientras que la gravedad modificada no funciona tan bien para la cosmología.
Ethan Siegel, astrofísico y autor, dijo que lo más probable es que muchos de los campos de gravedad modificados sean anulados por las observaciones de LIGO. Al igual que Hossenfelder, cree que el problema para MOND son las escalas que describe. "Moffat tiene razón: a MOND le va mejor que a la materia oscura en las escalas galácticas. Si nos fijamos en galaxias individuales y sus propiedades dinámicas, MOND tiene la ventaja. MOND falla en todas las escalas además de eso". Algunas de las teorías de Milgrom, dijo, podrían sobrevivir, si la afirmación de Milgrom de que la gravedad obedece a reglas diferentes de las que cumple la materia en el universo es cierta, por ejemplo. "Esta es una teoría que aún puede sobrevivir a estos resultados de ondas gravitacionales".
Y a pesar de su trabajo en alternativas a la gravedad, McGaugh dijo que hay cosas que solo la materia oscura puede tener sentido. "No veo cómo explicar el fondo cósmico de microondas o los cúmulos de galaxias (todos los cúmulos ricos, no solo el cúmulo de balas) sin él", dice. "Eso no significa que no pueda suceder, pero en la actualidad No veo otra explicación viable ". Al mismo tiempo, aún no está comprometido con ninguna de las partes. "Ninguno de los dos es convincente", dice.
En otras palabras, espere que el debate continúe furioso en el futuro previsible, con la fuerza de dos estrellas de neutrones colisionando.
