¿Son creíbles las teorías modificadas de la gravedad?

¡Excelente pregunta!

En resumen, hay dos posibilidades lógicas para explicar los datos:

1. Hay materia oscura y una constante cosmológica (modelo estándar)
2. La gravedad necesita ser modificada.

Curiosamente, ambas posibilidades tienen un precedente histórico:

• El descubrimiento de Neptuno (por Johann Gottfried Galle y Heinrich Louis d'Arrest) un año después de su predicción por Urbain le Verrier fue una historia de éxito para la idea de la materia oscura.
  (Por supuesto, después de su descubrimiento por los astrónomos ya no estaba oscuro...)
• El no descubrimiento de Vulcano fue el fracaso de la idea de la materia oscura; en cambio, la gravedad tuvo que modificarse de Newton a Einstein.
  (Curiosamente, Vulcano en realidad FUE observado por Lescarbault un año después de su predicción por Urbain le Verrier, pero esta observación nunca fue confirmada por nadie más).

Así que básicamente estás preguntando: ¿estamos en un escenario de Neptuno o Vulcano? ¿Y no podría ser más creíble el escenario de Vulcano?

La respuesta probable parece ser no. Las modificaciones de la gravedad que parecen explicar las curvas de rotación galáctica suelen estar en conflicto con las pruebas de precisión del sistema solar (donde la teoría de Einstein funciona extraordinariamente bien) o son complicadas y menos predictivas que la teoría de Einstein (como TeVeS) o no son teorías para empezar. (como LUNES).

Además de la evidencia gravitacional de la materia oscura, también hay evidencia indirecta de la física de partículas. Por ejemplo, si cree en la Gran Unificación, también debe aceptar la supersimetría para que las constantes de acoplamiento se fusionen en un punto en la escala GUT. Entonces tienes un candidato a materia oscura natural, la partícula supersimétrica más ligera. También hay otras predicciones de la física de partículas que conducen a candidatos a materia oscura, como los axiones. Entonces, el punto es que no faltan candidatos a materia oscura (más bien, hay abundancia de ellos) que pueden ser responsables de las curvas de rotación galáctica, la dinámica de los cúmulos, la formación de estructuras, etc.

Tenga en cuenta también que el modelo estándar de cosmología es un modelo bastante preciso (a nivel porcentual) y requiere alrededor del 23% de materia oscura. Hay muchas medidas independientes que han analizado este modelo (anisotropías CMB, datos de supernovas, cúmulos, etc.), por lo que tenemos una confianza razonable en su validez.

En cierto sentido, la mejor evidencia de la materia oscura es quizás la falta de buenas alternativas.

Aún así, siempre que la materia oscura no se detecte directamente a través de algún experimento de física de partículas/astropartículas, es científicamente sólido tratar de buscar alternativas (me declaro culpable en este sentido). Simplemente parece dudoso que alguna alternativa ad-hoc pase todas las pruebas de observación.

Si bien es posible que la gravedad aún deba modificarse, parece cada vez más improbable que NO HAYA alguna forma de materia oscura. En particular, la observación del grupo de balas es una tarea difícil para las diversas teorías de gravedad modificadas (aunque, posiblemente, los campos adicionales en algo como la gravedad bimétrica o TeVeS podrían autoacoplarse de una manera diferente a los campos ordinarios y esto podría ser lo que está induciendo la separación, pero esto es artificial, en el mejor de los casos). La idea básica de MOND se ha estirado bastante desesperadamente para explicar también la materia oscura en los cúmulos galácticos.

Además, observar escenarios cosmológicos de 'congelación' donde la materia oscura pierde el equilibrio con la materia ordinaria a una temperatura alta en el universo primitivo produce un modelo que es consistente con los datos actuales de nucleosíntesis y con la abundancia observada de materia oscura. Esta es una evidencia bastante sólida de que hay algo más allá de la hipótesis de la materia oscura del modelo estándar.

Pero una vez más, no es del todo imposible que haya algún tipo de gravedad modificada. Después de todo, los efectos cuánticos necesitarán modificar la gravedad en algún momento. Sería un error no buscarlo solo porque otra hipótesis parece mejor en ese momento.

Sí. Las teorías de la gravedad modificada son creíbles. Daniel Grumiller y Jerry Schirmer han señalado algunos de los argumentos en su contra, pero también existen problemas profundos y potencialmente intratables con el enfoque de partículas de materia oscura. Además, el peso de la evidencia tan cambiante como astrónomos, físicos de partículas y teóricos nos ha proporcionado evidencia más relevante y más ideas sobre cómo resolver el problema, incluso en los últimos años en esta área muy activa de investigación en curso.

Esto es así porque los fenómenos de la materia oscura constituyen el caso más sorprendente que existe hoy en día, donde la combinación de la relatividad general y el modelo estándar de la física de partículas simplemente no pueden explicar la evidencia empírica sin algún tipo de nueva física de algún tipo.

1. Cualquier teoría viable de la materia oscura tiene que ser capaz de explicar por qué la distribución de la materia luminosa en una galaxia predice los fenómenos de materia oscura observados con tanta precisión y con tan poca dispersión en múltiples aspectos, como las curvas de rotación y los tamaños de las protuberancias . Estas relaciones persisten incluso en casos que en una teoría no gravitatoria no deberían darse naturalmente. Por ejemplo, las galaxias elípticas de nebulosas planetarias que giran a distancia muestran la misma dinámica que las estrellas en el borde de las galaxias espirales. Del mismo modo, estas relaciones persisten en galaxias ricas en gas y galaxias enanas.(que tienen como se predijo alrededor del 0,2% de materia ordinaria si GR es correcto en un universo que en general tiene un 17% de materia oscura) a pesar de que están más allá del alcance de los datos utilizados para formular las teorías.

Uno de los esfuerzos recientes más exitosos para reproducir la relación bariónica de Tully-Fischer con modelos CDM es LV Sales, et al., " The low-mass end of the baryonic Tully-Fisher relation " (5 de febrero de 2016). Explica:

[L] a literatura está plagada de intentos fallidos de reproducir la relación Tully-Fisher en un universo frío dominado por la materia oscura. Las simulaciones directas de formación de galaxias, por ejemplo, han producido consistentemente durante muchos años galaxias tan masivas y compactas que sus curvas de rotación declinaban abruptamente y, en general, no coincidían con la observación. Incluso los modelos semianalíticos, en los que las masas y los tamaños de las galaxias se pueden ajustar para que coincidan con la observación, han tenido dificultades para reproducir la relación Tully-Fisher, que suele predecir velocidades a una masa determinada que son significativamente más altas que las observadas, a menos que se realicen ajustes un tanto arbitrarios en la respuesta de el halo oscuro.

El documento logra simular la relación Tully-Fisher solo con un modelo que tiene dieciséis parámetros cuidadosamente "calibrados para que coincidan con la función de masa estelar de la galaxia observada y los tamaños de las galaxias en z = 0" y "elegidos para parecerse a los alrededores del Grupo Local". of Galaxies", sin embargo, y todavía lucha por reproducir los ajustes de un parámetro del modelo de juguete MOND de hace tres décadas. Cualquier conjunto de datos puede ser descrito por casi cualquier modelo siempre que tenga suficientes parámetros ajustables.

Gran parte de la mejora con respecto a los modelos anteriores proviene de los esfuerzos para incorporar la retroalimentación entre la materia oscura y bariónica en los modelos, pero esto generalmente se ha hecho de una manera que es más ad hoc que está firmemente arraigada en la teoría rigurosa o las observaciones empíricas de la procesos de retroalimentación en acción.

Uno de los problemas más difíciles con simulaciones basadas en un modelo de partículas de materia oscura que se ha señalado, por ejemplo, en Alyson M. Brooks, Charlotte R. Christensen, " Bulge Formation via Mergers in Cosmological Simulations " (12 de noviembre de 2015) es que su modelo de ensamblaje de masas y galaxias subestima dramáticamente la proporción de galaxias espirales en el mundo real que no tienen protuberancias, lo cual es una dificultad inherente con el proceso por el cual las proporciones de materia oscura y materia bariónica se correlacionan en modelos de partículas de materia oscura que no son un problema para modelos de gravedad modificados. Señalan que:

[D]emostramos también que es muy difícil para los modelos de retroalimentación estelar actuales reproducir las pequeñas protuberancias observadas en galaxias de disco más masivas como la Vía Láctea. Argumentamos que los modelos de retroalimentación deben mejorarse o que se necesita una fuente adicional de retroalimentación como AGN para generar los flujos de salida requeridos.

La relatividad general no proporciona naturalmente tal mecanismo de retroalimentación.

2. El hecho de que sea posible explicar casi todas las curvas de rotación galáctica con un solo parámetro implica que cualquier teoría de la materia oscura tampoco puede ser demasiado compleja, porque de lo contrario se necesitarían más parámetros para ajustar los datos. Las relaciones que las teorías de la gravedad modificada muestran que existen son reales, ya sea que el mecanismo propuesto que da lugar a esas relaciones sea real o no. Una teoría de la materia oscura no debería tener más grados de libertad que una teoría del modelo de juguete que puede explicar los mismos datos. El número de grados de libertad necesarios para explicar un conjunto de datos es insensible a la naturaleza subyacente particular de la teoría correcta para explicar esos datos.

Además, aunque en este momento no tengo referencias a ellos fácilmente, las primeras simulaciones de materia oscura revelaron rápidamente que los modelos con un tipo primario de materia oscura se ajustan mucho mejor a los datos que aquellos con múltiples tipos de materia oscura que contribuyen significativamente a estos fenómenos.

Este requisito de simplicidad reduce en gran medida la clase de candidatos a materia oscura que deben considerarse y, por lo tanto, el número de teorías viables de partículas de materia oscura con las que una teoría de la gravedad modificada debe competir en un concurso de credibilidad.

3. Existen restricciones bastante estrictas de las observaciones astronómicas en el espacio de parámetros de la materia oscura. Alyson Brooks, " Reexaminando las restricciones astrofísicas en el modelo de materia oscura " (28 de julio de 2014). Estos descartan prácticamente todos los modelos de materia oscura fría excepto la "materia oscura cálida" (WDM) (a una masa de escala de keV que se encuentra en la parte inferior del rango permitido por el modelo lamdaCDM) y la "materia oscura autointeractiva" (SIDM) (que escapa a los problemas que de otro modo afectan a los modelos de materia oscura fría con una quinta fuerza que solo actúa entre partículas de materia oscura que requieren al menos un fermión más allá del Modelo Estándar y una fuerza más allá del Modelo Estándar transportada por un nuevo bosón masivo con una masa del orden de 1-100 MeV).

4. Los experimentos de detección directa (especialmente LUX) descartan cualquier candidato a materia oscura que interactúe a través de cualquiera de las tres fuerzas del modelo estándar (incluida la fuerza débil) en masas de hasta 1 GeV (también aquí ).

5. Otro golpe es la no detección de firmas de aniquilación y descomposición. Los datos prometedores de la observación del centro galáctico del satélite Fermi ahora se han descartado en gran medida como firmas de materia oscura en Samuel K. Lee, Mariangela Lisanti, Benjamin R. Safdi, Tracy R. Slatyer y Wei Xue. "Evidencia de fuentes puntuales de rayos gamma no resueltas en la Galaxia Interior". física Rev. Lett. (3 de febrero de 2016). Y, los signos de lo que parecía una señal de aniquilación de materia oscura cálida también resultaron ser una falsa alarma .

6. El experimento CMS en el LHC descarta una clase significativa de candidatos de materia oscura WIMP de baja masa, mientras que otros resultados del LHC excluyen esencialmente todos los posibles candidatos supersimétricos de materia oscura. Si existen partículas SUSY, serían demasiado pesadas para constituir materia oscura cálida (casi todos los tipos de partículas SUSY están excluidos hasta aproximadamente 40 GeV por el LHC, que es demasiado pesado) y también carecerían del tipo correcto de auto-interacciones. fuerza dentro de un contexto SUSY para ser un candidato SIDM. Esto tiene implicaciones particularmente amplias porque SUSY es la teoría efectiva de baja energía de casi todas las teorías GUT populares y la teoría de cuerdas viable vacua.

7. Si bien MOND requiere materia oscura en los cúmulos galácticos, incluido el caso particularmente desafiante del cúmulo de balas, este defecto no es compartido por todas las teorías de gravedad modificadas (ver, por ejemplo, aquí y aquí ). Muchas de las teorías que pueden explicar con éxito el cúmulo de balas pueden hacerlo principalmente porque la colisión se puede descomponer en componentes de gas y galaxias que tienen efectos independientes entre sí según las teorías en cuestión. El grupo de balas también es una de las principales restricciones en el espacio de parámetros SIDM (que básicamente modifica la gravedad pero solo lo hace en el sector oscuro, limitando esas modificaciones solo a partículas de materia oscura), y es difícil de cuadrar con partículas de materia oscura. teorías

8. Es posible en una teoría de la gravedad modificada, pero muy desafiante en una teoría de partículas de materia oscura, explicar por qué la proporción de masa a luminosidad de las galaxias elípticas varía en un factor de cuatro, basado sistémicamente en el grado en que son esféricas o no.

9. Muchas de las propuestas de gravedad modificada lo suficientemente maduras como para recibir atención sobre su ajuste a los datos cosmológicos también pueden pasar esa prueba. Véase, por ejemplo, aquí .

10. En resumen, mientras que una hipótesis de la materia oscura por sí sola puede explicar la materia aparentemente faltante en cualquier situación dada, para obtener una teoría descriptiva, debe ser capaz de describir la manera altamente específica en la que se distribuye en el universo en relación con el materia bariónica en el universo, idealmente de una manera que prediga nuevos fenómenos, en lugar de simplemente post-decir los resultados ya observados que se incluyeron en la formulación del modelo.

Las teorías de la gravedad modificada han sido repetidamente predictivas, mientras que las teorías de la materia oscura aún no han descubierto cómo distribuirla adecuadamente en todo el universo sin "hacer trampa" en la forma en que se configuran los modelos que las prueban, y no han podido hacer predicciones correctas de nuevos fenómenos. por debajo de la escala de radiación de fondo cósmico de microondas de la cosmología.

Conclusión

Para ser claros, no estoy afirmando que la gravedad modificada sea de hecho una explicación correcta de todos o alguno de los fenómenos atribuidos a la materia oscura, ni estoy afirmando que ninguna de las teorías de la gravedad modificada actualmente en amplia circulación sea en realidad descripciones correctas de la naturaleza.

Pero, los ejemplos de teorías de la gravedad modificada que tenemos son suficientes para dejar claro que algún tipo de teoría de la gravedad modificada es una posible solución creíble al problema de los fenómenos de la materia oscura.

También es una solución más creíble de lo que solía ser porque el caso de las teorías de partículas de materia oscura más populares se ha vuelto cada vez menos convincente a medida que se han descartado varios tipos de candidatos de materia oscura y a medida que más datos han reducido el espacio de parámetros disponible para los candidatos a materia oscura. El "milagro WIMP" que motivó muchas de las primeras propuestas de materia oscura está muerto.

Si bien esta Respuesta no revisa exhaustivamente todos los posibles candidatos a la materia oscura y los descarta afirmativamente (lo cual está más allá del alcance de la pregunta), deja en claro que ninguna de las soluciones fáciles que se esperaba que funcionara en el 20 han sobrevivido la prueba del tiempo hasta 2016. Durante los últimos seis años, solo han sobrevivido unas pocas teorías viables de partículas de materia oscura, mientras que se han desarrollado una miríada de nuevas teorías de gravedad modificadas que no han sido descartadas.