La materia oscura provoca una curva en el espacio-tiempo. Vemos esto a través de lentes gravitacionales. Pero, ¿qué nos permite suponer que el espacio-tiempo es plano cuando no hay materia normal presente? ¿Por qué no podemos decir que la materia oscura es solo la curvatura natural del espacio-tiempo? Flat parece un caso especial en comparación con el resto de geometrías posibles.
Asumimos que la mayor parte del espacio es plano por la misma razón por la que asumimos que una extensión de vidrio es plana cuando las imágenes que vemos a través de él no están distorsionadas. En el caso de la astronomía, las imágenes vistas a través del "vidrio" del espacio consisten principalmente en galaxias distantes y cúmulos de galaxias.
En marcado contraste, la materia oscura distorsiona las imágenes en solo una pequeña parte del espacio. Actúa como una lupa, produciendo imágenes ampliadas y extrañamente distorsionadas de galaxias aún más distantes. El efecto se llama lente de Einstein, y sí, incluso se puede usar (con procesamiento de imágenes por computadora) como una especie de telescopio del tamaño de un universo.
Sería posible que una curvatura natural del espacio-tiempo apareciera como materia oscura. La energía oscura se puede describir de esta manera. Poner la energía oscura en el lado derecho de la ecuación de Einstein la interpreta como materia/energía, mientras que ponerla en el lado izquierdo la interpreta como una propiedad geométrica del espacio-tiempo.
El problema con la materia oscura es que es desigual. Por ejemplo, las observaciones del Bullet Cluster sugieren que hay concentraciones de materia oscura que (antes de la colisión) correspondían a la densidad de materia visible.
Al describir la expansión del universo como un todo, podríamos modelar la materia oscura como una propiedad geométrica, al igual que la energía oscura. Sin embargo, esto no nos ayudaría a explicar la irregularidad observada en la distribución de la materia oscura. Eso solo puede explicarse colocando la materia oscura en el lado derecho de la ecuación de Einstein, es decir, como alguna forma de materia de interacción débil dispersa por todo el universo.
Un último punto, la geometría plana en realidad parece más natural para la mayoría de los físicos. Eso es porque si el universo es curvo, esa curvatura cambia (aumenta) con el tiempo. Si el universo estaba ligeramente curvado justo después del Big Bang, ahora estaría enormemente curvado, 13.800 millones de años después. Sin embargo, si el universo comenzó plano, permanece plano. Dado que el universo obviamente no está masivamente curvado en este momento, la explicación más simple es que comenzó plano y, por lo tanto, se ha mantenido plano.
No es una suposición, es un aspecto fundamental de la relatividad general (GR) , que ha demostrado ser una descripción muy precisa de muchos fenómenos observables . La piedra angular de GR son las ecuaciones de campo de Einstein , que podemos escribir como,
El lado izquierdo de la ecuación se expresa de manera más precisa con medidas específicas (complejas) de curvatura (como métricas y tensores de curvatura, etc.), mientras que el lado derecho suele estar dado por un tensor de tensión-energía que incluye todo tipo de materia . --- y no solo 'materia' en el sentido clásico, sino también radiación, etc. Entonces, en efecto, la relatividad general dice que la curvatura y la energía (de cualquier forma) son inextricables --- y ese es el núcleo de cómo nosotros ver el espacio-tiempo y la cosmología.
Editar:
en realidad, hay otra forma de pensar sobre su pregunta, que es históricamente, en términos de cómo se desarrolló la teoría de la materia oscura. Básicamente, observamos fuerzas gravitatorias (curvatura del espacio-tiempo) que no podían asociarse con formas conocidas de materia , por lo que se postuló a la Materia Oscura (DM) como la fuente de esa curvatura adicional. Entonces, de una manera indirecta, la materia oscura es solo la curvatura del espacio-tiempo que hemos observado... pero, tanto por GR como por cómo observamos que DM se distribuye por todo el universo, no pensamos esto es causalmente 'solo la propiedad natural' del espacio-tiempo.
Comente si estoy malinterpretando el quid de la pregunta (por ejemplo, qué quiere decir con asunto 'normal').
¿Qué nos permite suponer que el espacio-tiempo es plano cuando no hay materia normal presente?
Nada. Sin embargo, la gente hace esta suposición y luego propone partículas exóticas de materia oscura para explicar las anomalías gravitacionales, como las curvas planas de rotación galáctica. Esto es a pesar de que Einstein dijo que "la energía del campo gravitatorio actuará gravitatoriamente de la misma manera que cualquier otro tipo de energía" . Un campo gravitatorio es una región del espacio donde la densidad de energía es mayor que el espacio libre. Esta energía espacial tiene una equivalencia de masa y un efecto gravitacional, pero no está hecha de partículas. En cambio, es donde el espacio no es "ni homogéneo ni isotrópico" de una manera no lineal. Esto es lo mismo que el espacio-tiempo curvo, consulte Vacío no homogéneo: una interpretación alternativa del espacio-tiempo curvo . Ver tambiénEnergía de vacío no homogénea e interactiva .
¿Hay alguna otra teoría que explique los movimientos de las galaxias, la agrupación de universos y otras observaciones (que nos llevan a suponer la existencia de materia oscura) como estados exóticos del espacio-tiempo?
Tal vez la gravedad f(R) sea lo que estás buscando, pero los "estados exóticos del espacio-tiempo" me tienen un poco luchando. Un campo gravitatorio es un espacio no homogéneo = espacio-tiempo curvo, pero no es exótico.
La materia oscura provoca una curva en el espacio-tiempo. Vemos esto a través de lentes gravitacionales.
Consulte el resumen del primer artículo sobre vacío no homogéneo: "Se encuentran fuertes similitudes entre la propagación de la luz en un espacio-tiempo curvo y en un medio con índice de refracción graduado. Se señala que un espacio-tiempo curvo es equivalente a un vacío no homogéneo para la luz". propagación. Se obtiene el correspondiente índice de refracción graduado del vacío en un campo gravitacional estático esféricamente simétrico. Este resultado proporciona una manera simple y conveniente de analizar la lente gravitacional en astrofísica".
Pero, ¿qué nos permite suponer que el espacio-tiempo es plano cuando no hay materia normal presente? ¿Por qué no podemos decir que la materia oscura es solo la curvatura natural del espacio-tiempo? Flat parece un caso especial en comparación con el resto de geometrías posibles.
Comparto su sentimiento. El espacio es oscuro, tiene su energía de vacío que tiene una equivalencia de masa, y hay mucho de eso. Y para mí, creo que la conservación de la energía significa que el espacio no debe ser homogéneo. La analogía del pastel de pasas dice que el espacio se expande entre las galaxias pero no dentro. Entonces, cada galaxia seguramente está incrustada en una región del espacio con una densidad de energía más alta que el espacio intergaláctico, de modo que está rodeada por un halo de espacio no homogéneo. Y según Einstein, el espacio no homogéneo es lo que es un campo gravitatorio.