¿Por qué materia oscura y relatividad general?

Porque la Relatividad General tiene una abrumadora cantidad de evidencia experimental para respaldarla. Como resultado, los físicos buscan materia oscura, que funciona dentro de GR, en lugar de tirar al bebé con el agua del baño y, por lo tanto, suponer que GR es incorrecto.

Cuando Albert Einstein presentó GR al mundo, propuso tres pruebas que respaldarían GR. Tenga en cuenta que en ese momento, estas predicciones (excepto la n. ° 1 a continuación) no se habían observado previamente, ni podrían haberse explicado con ninguna teoría física previamente existente.

1. Precesión del perihelio de Mercurio - Básicamente, la precesión de la órbita de Mercurio no puede explicarse por la gravedad newtoniana o las leyes del movimiento de Kepler. De hecho, la gente estaba tan presionada para explicar esta precesión que una hipótesis incluso sugirió un planeta previamente no observado que orbitaba entre Mercurio y el Sol. Sin embargo, después de que Einstein desarrollara GR, demostró que la parte de la precesión de Mercurio no explicada por otros factores podría atribuirse a la curvatura del espacio-tiempo.
2. Desviación de la luz por el sol : Einstein propuso que la luz podría ser desviada por la gravedad, debido a GR. Esto se observó en 1919 durante un eclipse solar, cuando la posición de las estrellas "cerca" del sol (uso "cerca" con respecto a su ubicación aparente en la cúpula del cielo, no "cerca" en el espacio) se desplazó ligeramente, debido a la gravedad del Sol. Aunque el experimento original ha sido criticado, este efecto se ha reproducido muchas veces desde que se observó originalmente.
3. Desplazamiento gravitacional de la luz hacia el rojo : en 1959, el experimento Pound-Rebka observó un desplazamiento relativo hacia el rojo de la luz entre dos fuentes de luz diferentes, debido a los efectos gravitacionales de la Tierra.

Cada una de esas pruebas tiene páginas individuales de Wikipedia, vinculadas bajo el primer enlace que incluí arriba. Además, hay una serie de pruebas más modernas de GR, que no se limitan solo a las tres que describí anteriormente.

La evidencia de materia oscura surge en varios lugares y en varias escalas, desde la escala de fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas, hasta la formación de estructuras a gran escala en el Universo, pasando por la dinámica de galaxias en cúmulos (y lentes gravitacionales) y la dinámica de las estrellas y el gas dentro de las galaxias. De importancia crítica son las estimaciones relativas de la cantidad de materia "normal" y "no bariónica" que provienen de las restricciones complementarias proporcionadas por la nucleosíntesis primordial del big bang frente a las restricciones sobre la densidad total de la materia del fondo cósmico de microondas. Estos indican que la mayoría (5/6) de la materia que gravita en el universo no es "normal" y sería difícil de resolver simplemente modificando nuestras ideas sobre la gravedad.

Hay mucho acuerdo entre estas diferentes líneas de evidencia, a escalas bastante diferentes, sobre la existencia de materia oscura fría no bariónica, y en cantidades que también coinciden aproximadamente entre sí.

Un manual excelente y accesible sobre estos temas es Garrett & Duda (2011) .

He abordado su pregunta desde el punto de vista de por qué proponer materia oscura, en lugar de, ¿GR podría estar equivocado? Como señala Sean, GR ha superado muchas pruebas de observación y actualmente es una buena teoría. Sin embargo, creo que los defensores de la dinámica newtoniana modificada y los de su clase no aceptan que se haya probado lo suficiente como para descartar cambios en el régimen de campos gravitatorios débiles y pequeñas aceleraciones, pero MOND se esfuerza por explicar la dinámica a la escala de los cúmulos de galaxias. .

La primera evidencia de materia oscura no depende de la Relatividad General sino de la mecánica newtoniana:

A grandes distancias del centro galáctico, el potencial gravitatorio debería ser el producido por una masa puntual central y, en ausencia de fuerzas distintas de la gravitación, debería esperarse que GM/R2 =$\theta^{2}_{}$/R (G, constante de gravitación universal; M, masa galáctica; R, radio galactocéntrico;$\theta$, velocidad de rotación), por lo tanto$\theta$ $\propto$R-1/2, que se denomina, por razones obvias, la curva de rotación de Kepler . No se observó este declive kepleriano, sino curvas planas de rotación con$\theta$=cte se obtuvieron. Aparentemente, esto tiene la implicación directa de que M$\propto$R, dependiendo así de la calidad del telescopio utilizado. La hipótesis de la "materia oscura" (DM) interpreta este resultado en el sentido de que el régimen kepleriano se mantiene a distancias mucho mayores que aquellas en las que obtenemos observaciones. Debería haber grandes cantidades de materia oscura extendiéndose mucho más allá de la materia visible en un halo de DM más o menos esféricamente simétrico.

(negrita mía)

Curva de rotación de una galaxia espiral típica : prevista (A) y observada (B). La materia oscura puede explicar la apariencia 'plana' de la curva de velocidad en un radio grande

A fines de la década de 1960 y principios de la de 1970, Vera Rubin, del Departamento de Magnetismo Terrestre de la Institución Carnegie de Washington, fue la primera en realizar mediciones sólidas que indicaban la existencia de materia oscura y atribuirlas a la materia oscura. Rubin trabajó con un nuevo espectrógrafo sensible que podía medir la curva de velocidad de las galaxias espirales de canto con un mayor grado de precisión que nunca antes. Junto con su compañero Kent Ford, Rubin anunció en una reunión de 1975 de la Sociedad Astronómica Estadounidense el descubrimiento de que la mayoría de las estrellas en las galaxias espirales orbitan aproximadamente a la misma velocidad, lo que implicaba que las densidades de masa de las galaxias eran uniformes mucho más allá de las regiones. que contiene la mayoría de las estrellas (el bulto galáctico), un resultado encontrado de forma independiente en 1978. Un artículo influyente presentó a Rubin ' s resultados en 1980.[29] Las observaciones y los cálculos de Rubin mostraron que la mayoría de las galaxias deben contener aproximadamente seis veces más masa "oscura" que la que pueden explicar las estrellas visibles.

Las firmas de materia oscura se pueden predecir y encontrar en el modelo cosmológico del Big Bang que depende de la Relatividad General, pero también está ahí en la mecánica newtoniana simple.

Otra teoría de la gravedad parece el enfoque más simple.

Será un enfoque terriblemente complicado ya que la física newtoniana en el espacio plano ha sido sumamente bien validada.

Simple: la gente ha tratado de hacer que la gravedad modificada produzca los números correctos para todas las observaciones que tenemos, y nadie ha logrado obtener resultados tan buenos como los que produce la Relatividad General + Materia Oscura.

Aquí hay una cita de la dinámica newtoniana modificada , una de las teorías de la gravedad modificada:

MOND y sus generalizaciones no explican adecuadamente las propiedades observadas de los cúmulos de galaxias, y no se ha construido ningún modelo cosmológico satisfactorio a partir de la teoría.

La dificultad surge de la increíble precisión con la que GR predice y explica varios fenómenos. No es porque todo el mundo crea que GR es perfecto y que la materia oscura sea la única salida posible, en absoluto. Es simplemente que ninguna alternativa se acerca a producir los números correctos para todas las observaciones que podemos hacer.

Por lo que vale, las generalizaciones relativistas de MOND parecen estar bastante cerca de dar cuenta de todas las observaciones cosmológicas, pero las observaciones de Bullet Cluster pueden haberlas puesto a descansar:

Un estudio realizado en agosto de 2006 informó sobre la observación de un par de cúmulos de galaxias en colisión, el Bullet Cluster, cuyo comportamiento, según se informó, no era compatible con ninguna teoría de la gravedad modificada actual.

_{PD: no soy físico, solo alguien con un interés general en la física.}