ASTRONOMÍA. En entredicho los fundamentos de la "materia oscura"

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

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 (estrellas en sus bordes exteriores, lejos de la fuerza gravitacional de toda la materia en su centro) que se movían mucho más rápido de lo que predijo la teoría de Newton.

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, una revisión reciente sugiere 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.

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. Fuente: Arxiv

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, que 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.

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

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 varilla 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.

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 gravitatoria 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 gran 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, aún creemos que tiene el panorama general correcto: las galaxias realmente carecen de materia oscura .

Más información: Indranil Banik et al, From Galactic Bars to the Hubble Tension: Weighing Up the Astrophysical Evidence for Milgromian Gravity, Symmetry (2022). DOI: 10.3390/sym14071331