Dicen que existe la materia más oscura del universo (si hablamos de materia en general). Y, sin embargo, en la vida cotidiana prácticamente no lo encontramos. Sabemos que el Sol, el objeto más masivo del Sistema Solar, está hecho de materia ordinaria (protones, neutrones y electrones), pero hay muchas otras fuentes, incluidos planetas, gas, polvo, plasma y restos de estrellas. La materia oscura no se encuentra entre ellos, e incluso el Modelo Estándar no describe sus partículas. Por supuesto, la materia oscura no es la única forma de explicar los fenómenos gravitacionales observados en el Universo. Otra opción es modificar la teoría de la gravedad, que muchos ya han intentado hacer. Esto dio lugar a la idea de la Dinámica Newtoniana Modificada (MOND) y otras teorías, que siguen siendo alternativas populares a la materia oscura.
Para empezar por algún lado, necesitamos remontarnos al siglo XIX y hablar sobre un problema que existía mucho antes de que la “masa faltante” (o la “luz faltante”) la materia oscura y MOND intentaran resolver: el problema Urano-Mercurio. La ley de gravitación de Newton, iniciada por Newton en el siglo XVII, fue increíblemente exitosa al describir todo, hasta donde sabemos, se aplicó. Desde el movimiento de proyectiles hasta objetos rodantes; desde el peso de los objetos hasta el tic-tac de un reloj de péndulo; desde la flotabilidad de un barco hasta la órbita de la luna alrededor de la Tierra, la gravedad de Newton nunca falló.
Las Tres Leyes de Kepler, un caso especial de la fórmula gravitacional de Newton, se aplicó a todos los planetas conocidos en la misma medida:
1. Los planetas se mueven en elipses con el Sol en uno de los enfoques.
norte
2. Cada planeta se mueve en un plano que pasa por el centro del Sol y, en intervalos de tiempo iguales, el vector de radio que conecta el Sol y el planeta describe áreas iguales.
3. Los cuadrados de los períodos de revolución de los planetas alrededor del Sol se conocen como cubos de los ejes semi-mayores de las órbitas de los planetas.
Los mundos internos y externos conocidos obedecieron todas estas leyes, por lo que no se revelaron desviaciones durante cientos de años. Pero con el descubrimiento de Urano en 1781, algo cambió. Si bien el último de los planetas descubiertos se movía en una elipse alrededor del Sol, se movía a una velocidad incorrecta en comparación con las leyes de la gravedad predichas.
Video promocional:
En los primeros 20 años desde su apertura, se movió más rápido, cada noche y cada año, de lo que dictaban las leyes. Durante los siguientes 20-25 años, el planeta se movió estrictamente de acuerdo con las leyes. Pero luego se ralentizó y la velocidad cayó por debajo de lo previsto.
¿Hubo un error en la ley de la gravitación? Tal vez. Pero también es posible que hubiera un poco más de materia, algo invisible, materia oscura, que estaba afectando a Urano, causando perturbaciones en su órbita. Esto se parece más a la verdad. Después de la guerra teórica entre Urbain Le Verrier y John Coach Adams, quien trabajó de forma independiente e hizo predicciones sobre la ubicación del nuevo planeta, las predicciones de Le Verrier fueron confirmadas por Johann Halle y su asistente Heinrich d'Arre el 23 de septiembre de 1846. Se descubrió el planeta Neptuno, primer objeto cuya existencia se infirió a partir de los efectos de su masa: la influencia gravitacional.
Por otro lado, el planeta interior Mercurio, gracias a la mayor precisión de las observaciones y en combinación con datos seculares, comenzó a mostrar una violación aún más extraña de las leyes de la gravedad. Si las leyes de Kepler predijeron que los planetas deberían moverse en elipses ideales con el Sol en uno de los focos, entonces con la condición de que no haya otras masas que violen o afecten el sistema. Pero no hay masas alrededor y Mercurio no se mueve a lo largo de una elipse perfecta. Su elipse precesa con el tiempo.
Usando las leyes de la gravedad de Newton, podríamos tener en cuenta la influencia de todos los planetas conocidos (incluido Neptuno). Habiendo hecho todo esto, encontraríamos que queda una pequeña discrepancia entre lo predicho y lo observado: una precesión de 43 por siglo, o 0.012 grados por siglo. Pero esto no fue un accidente.
¿Cuál es la explicación esta vez? ¿Esta nueva masa invisible está relacionada con el interior de Mercurio? ¿O el problema real se ha infiltrado en la ley de la gravedad? Una búsqueda exhaustiva de una respuesta a esta pregunta condujo a un nuevo planeta teórico Vulcano, que debería haber estado más cerca del Sol que todos los demás. Pero no se encontró ningún Vulcano. La solución llegó en 1915 cuando Einstein esbozó su teoría de la relatividad general.
Ahora saltemos el tiempo hasta la década de 1970, hasta una serie de observaciones científicas de Vera Rubin. Observamos galaxias individuales, en particular, galaxias de borde, y medimos sus perfiles de velocidad. Miramos un lado de la galaxia y vemos que se está moviendo hacia nosotros (por desplazamiento al azul), miramos al otro, se está alejando de nosotros (por desplazamiento al rojo), y así es como determinamos la rotación de la galaxia. ¿Qué esperamos de ellos? Como nuestro sistema solar, las estrellas internas deben girar más rápido y cuanto más lejos del centro, menor debe ser la velocidad. Pero eso no es lo que encontramos.
norte
En cambio, la velocidad de rotación de cada galaxia individual permanece constante independientemente de la distancia. ¿Por qué? Nuevamente, hay dos opciones: o las leyes de la gravedad deben mejorarse, o debemos asumir la existencia de un exceso de masa invisible.
Moti Milgrom notó por primera vez MOND en 1981, quien observó que si cambiamos la ley de la gravedad a aceleraciones muy bajas, algo así como fracciones de nanómetro por segundo al cuadrado, podríamos explicar estas curvas de rotación. Además, la misma modificación, única y consistente, podría explicar la rotación de todas las galaxias, desde la más pequeña hasta la más grande. MOND todavía lo hace y lo hace bien.
La materia oscura, por otro lado, sugiere que además de las partículas normales del Modelo Estándar y la materia ordinaria de "protones, neutrones y electrones" que componen casi todo lo que conocemos, existe un nuevo tipo de materia. Para explicar el fenómeno rotacional, se propuso introducir un gran halo de materia que no interactúa con la luz, pero que no se pega, y no interactúa con la materia ordinaria, excepto gravitacionalmente. Esa era la idea de la materia oscura.
La materia oscura puede explicar estas curvas de rotación, pero no lo hace tan bien como MOND. Las simulaciones numéricas de halos, que producen incluso los modelos de materia oscura más simples, no coinciden con las observaciones; los halos son demasiado "derribados" en el centro y demasiado "esponjosos" en las afueras. (Desde un punto de vista técnico, parecen ser más isotérmicos de lo esperado). En resumen, MOND fue el líder claro al principio.
Pero allí, además, comenzó todo el Universo. Cuando propone una nueva teoría para reemplazar una antigua, cómo la relatividad general reemplazó a las leyes de Newton, su teoría debe satisfacer tres principios:
1. Debe reproducir el éxito total de la teoría principal anterior.
2. Debe explicar con éxito el nuevo fenómeno (o fenómenos) para los que fue creado.
3. Y debe hacer nuevas predicciones que serán verificadas, confirmadas o refutadas experimental u observacionalmente, para que sean exclusivas de la nueva teoría.
Estamos hablando de todos los éxitos de la teoría principal anterior, y son numerosos.
Hay una curvatura gravitacional de la luz de las estrellas por masa, lentes gravitacionales fuertes y débiles. Existe el efecto Shapiro. Hay dilatación del tiempo gravitacional y corrimiento al rojo gravitacional. Existe el concepto del Big Bang y el concepto de un universo en expansión. Hay movimientos de galaxias dentro de cúmulos y agrupaciones de las propias galaxias en las escalas más grandes.
En el caso de todos estos ejemplos, todos, MOND sufre una derrota aplastante, ya sea al no ofrecer predicciones o al hacer predicciones que son frustrantemente inconsistentes con los datos disponibles. Puede señalar con razón que MOND nunca tuvo la intención de ser una teoría completa, sino más bien una descripción de un fenómeno que podría conducir a una teoría más completa. Mucha gente está trabajando en una extensión MOND que podría explicar estas observaciones, pero fue en vano.
Pero si continúa la ley de gravedad de Einstein y simplemente agrega un nuevo ingrediente, materia oscura fría, puede explicar todo, incluidos algunos matices inusuales nuevos.
Puede explicar el patrón de agrupamiento que se observa en la estructura a gran escala del universo si tiene cinco veces más materia oscura que materia ordinaria.
Y lo que es aún más impresionante es que puedes hacer una predicción completamente nueva: cuando dos cúmulos de galaxias chocan, el gas en ellos se calienta, se ralentiza y emite rayos X, mientras que la masa que vemos con lentes gravitacionales sigue a la materia oscura y es reemplazada por rayos X. Esta nueva predicción se confirmó experimentalmente y se ha mantenido durante diez años, proporcionando una confirmación indirecta de la existencia de materia oscura.
MOND tiene la ventaja de explicar las curvas de rotación galáctica mejor que la materia oscura. Pero esta no es una teoría física y no se ajusta al conjunto completo de observaciones que tenemos. La materia oscura existe, al menos en teoría, porque nos da el mismo universo, consistente, sin modificaciones.
Pero los actuales fallos de MOND, cosmológicos, lo sitúan por debajo de la materia oscura. Que reproduzca todos los éxitos de la relatividad general, explique nuevos fenómenos, haga predicciones que puedan ser confirmadas, y los científicos sin duda se convertirán a una nueva fe. Después de todo, son buenos científicos.
