Don Lincoln es un científico sénior en el Fermilab del Departamento de Energía de EE. UU., La mayor institución de investigación del Gran Colisionador de Hadrones de Estados Unidos. También escribe sobre ciencia para el público, incluyendo su reciente "El gran colisionador de hadrones: la historia extraordinaria del bosón de Higgs y otras cosas que te dejarán boquiabierto" (Johns Hopkins University Press, 2014). Puedes seguirlo en Facebook. Lincoln contribuyó con este artículo a Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Muchas personas conocedoras de la ciencia dan por sentado que el universo está hecho no solo de los "miles y miles de millones" de galaxias de Carl Sagan, sino también de una gran cantidad de una sustancia invisible llamada materia oscura. Se cree que esta extraña materia es un nuevo tipo de partícula subatómica que no interactúa a través del electromagnetismo, ni las fuerzas nucleares fuertes y débiles. También se supone que la materia oscura es cinco veces más frecuente en el universo que la materia ordinaria de los átomos.
Sin embargo, la realidad es que la existencia de la materia oscura aún no ha sido probada. La materia oscura sigue siendo una hipótesis, aunque bastante bien respaldada. Cualquier teoría científica tiene que hacer predicciones, y si es correcta, entonces las mediciones que realice deben alinearse con las predicciones. Lo mismo ocurre con la materia oscura. Por ejemplo, las teorías de la materia oscura hacen predicciones sobre la velocidad de rotación de las galaxias. Pero, hasta ahora, las mediciones realizadas de la distribución detallada de la materia oscura en el centro de las galaxias de baja masa no se alinearon con esas predicciones.
Un cálculo reciente ha cambiado eso. El cálculo ayuda a resolver el enigma de la relación Tully-Fisher, que compara la materia visible u ordinaria de una galaxia con su velocidad de rotación. En términos muy simplificados, los científicos han descubierto que cuanto más masiva (y por lo tanto más brillante) es una galaxia espiral, más rápido gira.
Pero si existe materia oscura, cuán "grande" es una galaxia debe determinarse no solo por su materia visible, sino también por su materia oscura. Al faltar una gran parte de la ecuación (la cantidad de materia oscura), la relación Tully-Fisher no debería mantenerse. Y sin embargo lo hace. Era difícil imaginar alguna forma de conciliar esta relación con la teoría existente de la materia oscura. Hasta ahora.
Orígenes de la materia oscura
Los primeros indicios de que podría haber una necesidad de algo como materia oscura se remontan a 1932. El astrónomo holandés Jan Oort midió las velocidades orbitales de las estrellas dentro de la Vía Láctea y descubrió que se movían demasiado rápido para que la masa observada de la galaxia les explicara.
Las estrellas orbitan su galaxia madre en caminos casi circulares y la gravedad es la fuerza que mantiene a las estrellas en esas órbitas. Las ecuaciones de Newton predicen que la fuerza que hace que las estrellas se muevan en una trayectoria circular, F (circular), debería ser igual a la fuerza debida a la gravedad en la estrella, F (gravedad), o de lo contrario la estrella volaría al espacio o caería al El centro de la galaxia. Para aquellos que recuerdan la física de la escuela secundaria, F (circular) es una declaración de inercia y es solo la F = ma de Newton. F (gravedad) es la ley de Newton de la gravitación universal.
Cerca del centro de las galaxias, Rubin y Ford descubrieron que F (circular) era aproximadamente igual a F (gravedad), como se esperaba. Pero lejos del centro de las galaxias, los dos lados de la ecuación no coincidían muy bien. Mientras que los detalles variaban de galaxia a galaxia, sus observaciones eran esencialmente universales.
Tal discrepancia dramática necesita explicación. Cerca del centro de las galaxias, las mediciones de Rubin y Ford significaron que la teoría estaba funcionando, mientras que la discrepancia a distancias orbitales más grandes significaba que algo sucedía que las teorías existentes no podían explicar. Sus ideas revelaron que o no entendemos cómo funciona la inercia (por ejemplo, F (circular)), o no entendemos cómo funciona la gravedad (por ejemplo, F (gravedad)). Una tercera posibilidad es que el signo igual sea incorrecto, lo que significa que hay alguna otra fuerza o efecto que la ecuación no incluye. Esas eran las únicas posibilidades.
Explicando las discrepancias
En los 40 años transcurridos desde el trabajo original de Rubin y Ford, los científicos han probado muchas teorías para tratar de explicar las discrepancias de rotación galáctica que encontraron. El físico Mordehai Milgrom propuso una modificación de la inercia, llamada "dinámica newtoniana modificada", o MOND. En su forma inicial, postuló que a aceleraciones muy bajas, la ecuación de Newton F = ma no funcionó.
Otros físicos han sugerido modificaciones de las leyes de la gravedad. La relatividad general de Einstein no ayuda aquí porque, en este ámbito, las predicciones de Einstein y Newton son esencialmente idénticas. Y las teorías de la gravedad cuántica, que intentan describir la gravedad utilizando partículas subatómicas, no pueden ser la explicación por la misma razón. Sin embargo, existen teorías gravitacionales que hacen predicciones en escalas galácticas o extragalácticas que difieren de la gravedad newtoniana. Entonces, esas son opciones.
Luego hay predicciones de que existen nuevas fuerzas. Estas ideas se agrupan bajo el nombre de "la quinta fuerza", lo que implica una fuerza más allá de la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles.
Finalmente, existe la teoría de la materia oscura: que un tipo de materia que no interactúa con la luz en absoluto, pero que ejerce una atracción gravitacional, impregna el universo.
Si las mediciones de rotación galáctica son los únicos datos que tenemos, podría ser difícil seleccionar entre estas diferentes teorías. Después de todo, podría ser posible ajustar cada teoría para resolver el problema de la rotación galáctica. Pero ahora hay muchas observaciones de muchos fenómenos diferentes que pueden ayudar a identificar la teoría más plausible.
Una es la velocidad de las galaxias dentro de grandes cúmulos de galaxias. Las galaxias se mueven demasiado rápido para que los cúmulos permanezcan unidos. Otra observación es la luz de galaxias muy distantes. Las observaciones de estas galaxias antiguas muy distantes muestran que su luz se distorsiona al pasar por los campos gravitacionales de los cúmulos de galaxias más cercanos. También hay estudios de pequeñas no uniformidades del fondo cósmico de microondas que es el grito de nacimiento del universo. Todas estas medidas (y muchas más) también deben ser abordadas por cualquier nueva teoría para explicar las velocidades de rotación galáctica.
Preguntas sin respuesta de la materia oscura
La teoría de la materia oscura ha hecho un trabajo razonable al predecir muchas de estas mediciones, por lo que es muy respetada en la comunidad científica. Pero la materia oscura sigue siendo un modelo no confirmado. Toda evidencia de su existencia hasta el momento es indirecta. Si existe materia oscura, deberíamos poder observar directamente las interacciones de la materia oscura a medida que pasa a través de la Tierra y podríamos hacer materia oscura en aceleradores de partículas grandes, como el Gran Colisionador de Hadrones. Y sin embargo, ninguno de los enfoques ha sido exitoso.
Además, la materia oscura debería estar de acuerdo con todas, no solo muchas, observaciones astronómicas. Si bien la materia oscura es el modelo más exitoso hasta ahora, no es completamente exitoso. Los modelos de materia oscura predicen más galaxias satelitales enanas que rodean a grandes galaxias como la Vía Láctea de las que realmente se detectan. Aunque se están encontrando más galaxias enanas, todavía hay muy pocas en comparación con las predicciones de la materia oscura.
Otra gran pregunta abierta es cómo la materia oscura afecta la relación entre el brillo de las galaxias y sus velocidades de rotación. Esta relación, que se presentó por primera vez en 1977, se llama la relación Tully-Fisher, y ha demostrado en numerosas ocasiones que la masa visible de una galaxia se correlaciona bien con su velocidad de rotación.
Duros desafíos para la materia oscura
Entonces, eso termina la historia de fondo. ¿Qué es nuevo?
La relación Tully-Fisher es un desafío difícil para los modelos de materia oscura. La rotación de una galaxia se rige por la cantidad total de materia que contiene. Si la materia oscura realmente existe, la cantidad total de materia es la suma de la materia oscura y la ordinaria.
Pero la teoría existente de la materia oscura predice que cualquier galaxia aleatoria puede contener fracciones más grandes o más pequeñas de materia oscura. Entonces, cuando uno mide la masa visible, podría perderse una gran parte de la masa total. Como resultado, la masa visible debería ser un predictor muy pobre de la masa total (y, por lo tanto, de la velocidad de rotación) de la galaxia. La masa de la galaxia podría ser similar a la de la masa visible (ordinaria) o podría ser mucho más grande.
Por lo tanto, no hay razón para esperar que la masa visible sea un buen predictor de la velocidad de rotación de la galaxia. Sin embargo lo es.
De hecho, en un artículo publicado este año, los escépticos de la materia oscura utilizaron mediciones de la relación Tully-Fisher para una variedad de galaxias para argumentar en contra de la hipótesis de la materia oscura y para una versión modificada de la inercia, como MOND.
Mejor para la materia oscura
Sin embargo, en un artículo publicado en junio, los científicos han dado a los modelos de materia oscura un impulso significativo. El nuevo trabajo no solo reproduce los éxitos de predicciones anteriores del modelo de materia oscura, sino que también reproduce la relación Tully-Fisher.
El nuevo artículo es un modelo "semi-analítico", lo que significa que es una combinación de ecuaciones analíticas y simulación. Simula la aglomeración de materia oscura en el universo primitivo que puede haber sembrado la formación de galaxias, pero también incluye la interacción de la materia ordinaria, incluidas cosas como la caída de la materia ordinaria en otro cuerpo celeste debido a su atracción gravitacional, la formación de estrellas y el calentamiento. de la caída de gas por la luz de las estrellas y las supernovas. Al ajustar cuidadosamente los parámetros, los investigadores fueron más capaces de igualar la relación prevista entre Tully y Fisher. La clave del cálculo es que la velocidad de rotación prevista incluye un valor realista para la relación de bariones a materia oscura en la galaxia.
El nuevo cálculo es un paso adicional importante para validar el modelo de materia oscura. Sin embargo, no es la última palabra. Cualquier teoría exitosa debe estar de acuerdo con todas las mediciones. No aceptar significa que la teoría o los datos están equivocados, o al menos están incompletos. Todavía quedan algunas discrepancias entre la predicción y la medición (como el número de galaxias satélites pequeñas alrededor de las grandes), pero este nuevo documento nos da la confianza de que el trabajo futuro resolverá estas discrepancias restantes. La materia oscura sigue siendo una teoría poderosamente predictiva para la estructura del universo. No está completo y necesita validación descubriendo la partícula de materia oscura real. Entonces, todavía queda trabajo por hacer. Pero este cálculo más reciente es un paso importante hacia el día en que sabremos de una vez por todas si el universo realmente está dominado por el lado oscuro.
