Materia Oscura vs Gravedad Modificada

Si la única evidencia de materia oscura fuera de las curvas de rotación galáctica, una modificación de la gravedad podría ser suficiente para explicar los datos. Sin embargo, tenemos muchas otras pruebas de la astrofísica y la cosmología de la existencia de materia oscura y una modificación de la gravedad no explicaría todas estas pruebas.

Estos son algunos ejemplos de la evidencia:

1. Podemos usar lentes gravitacionales para medir la masa de las galaxias enanas. Estas galaxias enanas no tienen muchas estrellas ni nubes moleculares, por lo que la masa estimada de la materia ordinaria no coincidiría con la masa medida.
2. En astrofísica, necesitamos que la materia oscura sea la semilla del origen de las galaxias o, de lo contrario, no podemos explicar por qué tenemos tantas galaxias. Si no existiera la materia oscura, las galaxias tardarían demasiado en formarse.
3. Bullet Cluster es un ejemplo de la colisión violenta de dos cúmulos de galaxias donde la masa visible está bastante separada de la masa medida por lentes gravitacionales.
4. Las mediciones muy precisas de los patrones en la radiación del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) por parte de los satélites WMAP y Plank no podrían entenderse sin la materia oscura. Tenga en cuenta que en el momento del CMB no había galaxias en absoluto.
5. La producción y la abundancia primordial de helio y litio en el Big Bang no coincidirían con las observaciones sin la presencia de materia oscura.

Para explicar todo esto, todo lo que tenemos que hacer es postular una partícula estable adicional que interactúa muy débilmente con las otras partículas. Por lo tanto, su principal interacción sería solo gravitacional. En las teorías que amplían el modelo estándar de la física de partículas, hay una gran cantidad de posibles tipos de partículas que podrían ser la partícula de materia oscura. Lo que nos falta son algunas mediciones experimentales directas de las propiedades de las partículas de materia oscura, como la masa y varias tasas de interacción, para decidir entre los muchos candidatos posibles.

De hecho, realmente no hay razón para suponer que solo hay una partícula de materia oscura; podría haber todo un zoológico de partículas de materia oscura. De acuerdo con toda la evidencia, hay aproximadamente 6 veces más materia oscura que materia ordinaria en nuestro universo (medida comparando la masa total de la materia oscura con la masa total de la materia ordinaria). La materia ordinaria tiene un electrón estable, un protón, un fotón y tres tipos de neutrinos. Además, podrías considerar cada elemento atómico estable como otro tipo o partícula. Luego hay muchas docenas de partículas inestables que decaerán (eventualmente) en partículas estables. Dado que hay 6 veces más materia oscura que materia ordinaria, tal vez haya múltiples (o muchos) tipos de partículas estables de materia oscura.

Así que la existencia de la materia oscura está resuelta: existe. Lo que queda por hacer es medir la masa (o masas) y otras propiedades de una o más partículas de materia oscura.

La mayoría de las búsquedas solo han puesto límites a la masa y la fuerza de interacción de las posibles partículas masivas de materia oscura. Sin embargo, otra clase completa de posibles partículas de materia oscura teóricamente justificadas serían los Axiones de muy baja masa; y no hay límites experimentales muy fuertes establecidos en estos candidatos (todavía). Finalmente, podría ser posible que la partícula de materia oscura no interactúe en absoluto con la materia ordinaria, excepto a través de efectos gravitacionales. Si la materia oscura solo tiene interacciones gravitatorias con la materia ordinaria, es posible que nunca podamos determinar las propiedades exactas de la partícula de materia oscura, ya que nunca podríamos detectarla en absoluto, solo los efectos gravitatorios colectivos de una gran masa de partículas de materia oscura. podría medirse jamás.

Puede ver que hay muchas explicaciones de por qué aún no hemos podido medir las propiedades de las partículas de materia oscura. Sin embargo, dado que la gravedad modificada no puede explicar toda la evidencia astrofísica y cosmológica, deben existir partículas de materia oscura.

Los cosmólogos y astrofísicos no dan por sentado nada. Están buscando evidencia que identifique la partícula de materia oscura o muestre que no existe. A veces, esto lleva mucho tiempo. Pasaron casi 50 años entre los documentos originales de 1964 que predijeron el bosón de Higgs y el descubrimiento en el CERN en 2013 (se están realizando más estudios de la partícula). El hecho de que no se haya detectado ninguna partícula correspondiente a la materia oscura tiene dos interpretaciones: la partícula no existe o interactúa demasiado débilmente con los dispositivos de medición. Es posible que los científicos necesiten construir instrumentos más grandes o instrumentos que se basen en diferentes interacciones (en el caso de que la partícula no sea un WIMP) antes de que sea posible la detección.

Otros científicos persiguen la idea de modificar la Relatividad General y buscan evidencia de discrepancias consistentes entre la relatividad y el movimiento de los cuerpos astrofísicos que no requieren un ajuste personalizado en diferentes escalas de tamaño. En este momento, se requieren diferentes modificaciones para las galaxias en lugar de cúmulos.

De hecho, tanto la materia oscura como la gravedad modificada tienen ejemplos previos de tener razón.

• Las observaciones astronómicas en la década de 1820 mostraron que Urano no se movía de la forma predicha por la gravedad newtoniana. El movimiento observado llevó a la conclusión de que había otro planeta cuya gravedad estaba afectando su movimiento. Este planeta, Neptuno, fue observado en 1846. Antes de su avistamiento, Neptuno era materia oscura: una masa no observada cuya gravedad explicaba el movimiento imprevisto de los cuerpos astronómicos.

• A principios del siglo XX, también se descubrió que el movimiento de Mercurio contradecía las predicciones basadas en la gravedad newtoniana. Al igual que ocurrió con Neptuno, se pensó que dentro de la órbita de Mercurio se encontraría otro planeta. Este planeta (la materia oscura) fue llamado Vulcano. Este planeta nunca fue encontrado y, de hecho, el movimiento de Mercurio requirió el desarrollo de la Relatividad General por parte de Albert Einstein que modificó la teoría de la gravedad de Newton. En este caso, la supuesta materia oscura no existía y nuestra descripción de la gravedad tuvo que modificarse.

En la actualidad, parece que la materia oscura es el candidato más probable para explicar las discrepancias actuales. Siempre está llegando más evidencia, y nuestra comprensión eventualmente convergerá a uno u otro o algo completamente diferente. Hasta entonces, todo lo que puedo aconsejar es paciencia.