Relación de la Relatividad General con la Materia Oscura y la Energía Oscura

Hay varias observaciones que sugieren la existencia de la Materia Oscura. Algunos de ellos necesitan la Relatividad General para ser adecuadamente descritos, para otros es suficiente la Gravedad Newtoniana. Cualquiera que sea la teoría que se utilice, Dark Matter es una buena explicación para las observaciones.

Por ejemplo, las curvas de rotación de las estrellas en una galaxia no se desvanecen lo suficientemente rápido en radios grandes, por lo que se usa Dark Matter como explicación. Las curvas de rotación se pueden calcular con la Relatividad General, por supuesto, pero la Gravedad Newtoniana funciona igualmente bien.

Por otro lado, las lentes gravitatorias requieren de la Relatividad General para hacer el cálculo y todavía se necesita la Materia Oscura para explicar las observaciones.

Me preguntaba dónde se encuentra la teoría de Einstein en relación con la materia oscura, ¿lo predijo de alguna manera o la materia oscura prueba que la teoría de Einstein es incompleta? ¿Y qué pasa con la energía oscura?

Primero, buena pregunta. Es una parte muy interesante de la historia. La respuesta de Photon toca más la ciencia actual, entraré más en la historia. Básicamente, la respuesta corta es no. La respuesta más larga es, no realmente, pero quizás una pequeña relación.

Einstein no predijo la materia oscura. No lo hizo y sus teorías ni siquiera adivinaron la dirección. Sin embargo, la relatividad general de Einstein implicaba la existencia de agujeros negros, que podrían haber sido, en algún momento, considerados parte de la materia oscura. Más sobre eso más adelante.

Vale la pena mencionar, cuando Einstein publicó sus 2 teorías de la relatividad (especial - 1905 y general - 1915), ni siquiera sabíamos que había otras galaxias. El descubrimiento de otras galaxias se produjo en 1923 y no es difícil ver por qué, una vez que se descubrieron otras galaxias, serían de gran interés. Hubble descubrió Red Shift en 1929 y Oort hizo su descubrimiento en 1932 y Zwicky el suyo en 1933 (más sobre eso a continuación).

Había dos piezas clave en el rompecabezas de la masa de galaxias perdidas.

Lo primero que se observó fue que las estrellas exteriores orbitaban más rápido que las más cercanas al centro, llamado problema de rotación de galaxias descubierto en 1932 por Jan Hendrik Oort. Recuerdo haber leído sobre esto en los tiempos de la ciencia hasta la década de 1980. Siguió siendo un enigma sin respuesta durante décadas que muchos científicos analizaron con telescopios cada vez mejores después de Oort. Siguió siendo un rompecabezas durante mucho tiempo.

En segundo lugar, solo 1 año después, Fritz Zwicky calculó la masa esperada de una galaxia cercana y descubrió que era demasiado baja para explicar la velocidad orbital (como mencionó en su pregunta). El cálculo de Zwicky fue que la masa aparente era 400 veces demasiado pequeña, lo que no hace falta decir que enorme. No es difícil darse cuenta de que hay algo de masa extra que podría no verse. Estrellas que han usado todo su combustible y se han quemado, grandes planetas, nubes de polvo, meteoritos, asteroides, etc., pero es muy difícil explicar 400 veces menos masa.

Ambas observaciones son igualmente inexplicables usando la gravedad de Einstein o Newtons. Hay muy poca diferencia para la mayoría de los cálculos orbitales. La única diferencia real comienza a aparecer con una gravedad muy alta y órbitas enormemente rápidas. Para estos cálculos de masa de galaxias, esencialmente no hay diferencia.

Ahora, no es difícil imaginar algunos objetos enormemente masivos en el interior de una galaxia y agujeros negros supermasivos descubiertos más tarde, pero eso solo ayuda con la observación de Zwicky, no con la de Oort. Para que el descubrimiento de Oort funcione, se necesita mucha masa fuera de la galaxia y eso fue un rompecabezas enorme que la relatividad de Einstein no ayudó ni un poco.

Ahora, el vínculo suelto era que parte de la masa de las galaxias que no podemos ver son los agujeros negros, que la relatividad general de Einstein predijo, aunque Einstein personalmente no creía en ellos. Pero eso es un pequeño vínculo.

La energía oscura es otra cosa y probablemente pertenezca a otra pregunta, si desea vincular la energía oscura con la constante cosmológica de Einstein, eso es factible, pero yo no le doy mucha importancia a ese vínculo. Creo que Einstein estaba falsificando su física para tratar de hacer que algo funcionara y el hecho de que su conjetura se pareciera a lo que se observó más tarde fue más pura suerte que buena teoría. Las dos teorías de la relatividad de Einstein cuando las publicó eran absolutamente brillantes y probablemente el trabajo más grande del siglo XX. No considero su constante cosmológica buena ciencia, en mi humilde opinión.

Dark Energy tampoco tiene absolutamente nada que ver con Dark Matter, excepto 4 letras. :-) Son completamente diferentes.

Decir que la relatividad general predijo la materia oscura es algo exagerado, pero tampoco es del todo incorrecto. Originalmente no era una predicción sino una hipótesis auxiliar introducida para explicar la discrepancia teórica con el movimiento observado de las estrellas en las galaxias. En otras palabras, era análogo a la discrepancia en el movimiento de Urano, o en la precesión del perihelio de Mercurio, con lo que predecía la teoría de la gravedad de Newton. Las respuestas a las anomalías de Urano y Mercurio fueron, en consecuencia, predicciones de los planetas hipotéticos Neptuno y Vulcano, y aunque el primero funcionó, el segundo no funcionó. Lo que sucedió con la materia oscura fue análogo a la situación con Neptuno y no con Vulcano, y en este sentido la relatividad general predijo la presencia de materia extra desdepodemos observarlo de manera confiable ahora en lugar de solo inferir su existencia. También hubo respuestas alternativas, como MOND, que no funcionaron, o al menos funcionaron peor que la materia oscura.

El problema restante es que aún no tenemos una teoría confirmada de la materia oscura, como hemos dicho para el campo EM o Higgs. Eso no fue un problema con Neptune porque, aunque originalmente nadie sabía de qué estaba hecho, era razonable suponer que se trataba de algún tipo de materia ordinaria. La peculiaridad de la materia oscura es que podemos descartarla, por lo que hasta que no se elabore y confirme una teoría, no podemos decir que se haya establecido la presencia de materia oscura y se haya confirmado la predicción.