Los científicos han estado buscando "materia oscura", una sustancia desconocida e invisible que se cree que constituye la gran mayoría de la materia del universo, durante casi un siglo. La razón de esta persistencia es que se necesita materia oscura para explicar el hecho de que las galaxias no parecen obedecer las leyes fundamentales de la física. Sin embargo, Las búsquedas de materia oscura no han tenido éxito.

Pero existen otros enfoques para entender por qué las galaxias se comportan de manera tan extraña. Nuestro nuevo estudio, publicado en el Revista de cosmología y física de astropartículas , muestra que, ajustando las leyes de la gravedad en las enormes escalas de las galaxias, es posible que, después de todo, no necesitemos la materia oscura.

El astrónomo suizo Fritz Zwicky descubrió en la década de 1930 que las velocidades en los cúmulos de galaxias eran demasiado altas para dar cuenta de la cantidad de materia que podíamos ver. Un fenómeno similar fue descrito por varios grupos de astrónomos, como Vera Rubin y Kent Ford, cuando estudiaron el movimiento de las estrellas en los extremos más lejanos de la Galaxia de Andrómeda.

Se esperaba que las velocidades de las estrellas alejadas de su centro disminuyeran, ya que experimentan menos fuerza gravitacional. Eso es porque, según la segunda ley del movimiento de Newton, la atracción gravitacional sobre la materia en órbita puede equipararse a un producto de su masa y aceleración (que está relacionada con la velocidad).

Sin embargo, las mediciones mostraron que no hubo tal disminución en las velocidades con la distancia. Eso llevó a los científicos a creer que debe haber algo de materia invisible allí para crear una atracción gravitacional más fuerte y un movimiento estelar más rápido. En las últimas décadas, innumerables otras sondas de sistemas gravitantes a escalas de longitud muy grandes indicaron el mismo problema.

Más allá de la materia oscura

El misterio de qué es realmente la materia oscura sigue siendo el último desafío de la física fundamental moderna. La pregunta central es si realmente es una fuente masiva que falta, como un nuevo tipo de materia, o si la ley gravitacional es simplemente diferente a escalas de longitud gigantescas.

Si bien la primera opción parece muy tentadora, todavía no hemos encontrado ninguna materia oscura. También, mientras que las leyes de la gravedad están bien probadas dentro del sistema solar, hay que tener cuidado al extrapolar esto a escalas que son al menos mil millones de veces más grandes.

Un intento bien conocido de deshacerse de la necesidad de materia oscura es la Dinámica Newtoniana Modificada (MOND), lo que sugiere que la ley de la gravedad de Newton se vuelve irregular cuando la atracción gravitacional es muy débil, como es el caso en las regiones exteriores de la galaxia. Pero esta teoría, aunque exitoso en muchos aspectos, no ha pasado las mismas pruebas rigurosas que nuestro modelo estándar de cosmología, que incluye materia oscura.

El principal problema es que MOND no puede explicar el problema de la masa faltante en las galaxias y los cúmulos de galaxias al mismo tiempo. Otro argumento muy fuerte contra MOND se basa en la observación de cúmulos de galaxias en colisión, donde las estrellas de cada galaxia se atraviesan, pero las nubes de gas se mantienen juntas y se quedan atrás. Un ejemplo famoso es el Bullet Cluster, que consta de dos de estos grupos en colisión. Las observaciones sugieren que la materia oscura sigue a las estrellas en estos eventos, que tienen una masa total menor que la nube de gas. MOND no puede explicar por qué es así.

Burbujas espaciales

Nos propusimos modificar las leyes de la gravedad de una manera diferente. Nuestro enfoque asumió que está funcionando un fenómeno conocido como detección de Vainshtein. Esto sugiere que cada uno suficientemente denso, El objeto compacto en el espacio genera una esfera invisible a su alrededor que determina cómo se comportan las leyes de la física con la distancia creciente. Esta esfera es un concepto teórico que nos ayuda a comprender la diferencia entre escalas pequeñas y grandes, en lugar de una membrana física real.

Según nuestra teoría, Dentro de esta burbuja, las leyes de la gravedad newtoniana ordinaria que vemos en nuestro sistema solar se aplican a los objetos que interactúan con el cuerpo masivo en el centro. Fuera de la burbuja la teoría sugiere que la atracción gravitacional del objeto central puede mejorarse significativamente, aunque no haya más masa presente.

El tamaño de la burbuja sería proporcional a la masa del objeto central. Si, por ejemplo, en una galaxia, esta esfera tiene un radio de unos pocos miles de años luz, una distancia típica a la que se observan signos de materia oscura, la esfera correspondiente de nuestro sol tendría un radio de 50.000 unidades astronómicas (una de esas unidades es la distancia entre los sol y la Tierra). Sin embargo, el borde del sistema solar está a sólo 50 unidades astronómicas de distancia. En otras palabras, no hay objetos que podamos observar tan lejos del sol para probar si el sol tiene una atracción gravitacional diferente sobre ellos que en la Tierra. Solo la observación de sistemas completos muy lejanos nos permite hacer eso.

El efecto sorprendente es que el tamaño de la burbuja newtoniana crece con la masa encerrada de una manera particular. Esto significa que la ley de la gravedad cambia a diferentes escalas de longitud en galaxias y cúmulos de galaxias respectivamente y, por lo tanto, puede explicar la materia oscura aparente en ambos sistemas simultáneamente. Eso no es posible con MOND. Es más, es consistente con la observación del Bullet Cluster. Esto se debe a que las nubes de gas que quedaron en la colisión no son lo suficientemente compactas como para generar una esfera a su alrededor, lo que significa que la aparente materia oscura solo es notable alrededor de las estrellas más compactas. MOND no distingue entre estrellas y nubes de gas.

Para nuestra gran sorpresa, nuestra teoría nos permitió explicar las velocidades estelares en las galaxias mucho mejor que con la relatividad general de Einstein, lo que permite que exista la materia oscura. Por lo tanto, es posible que exista materia oscura menos misteriosa de lo que pensamos, y tal vez incluso ninguna.

Planeamos investigar más a fondo este interesante fenómeno. También podría ser responsable de la alta variabilidad del movimiento galáctico, para lo cual reunimos cada vez más pruebas.

Cualquier cuerpo masivo deforma el espacio y el tiempo a su alrededor, según la relatividad general. Como resultado, los rayos de luz dan un giro aparente alrededor del objeto en lugar de viajar en línea recta, un efecto denominado lente gravitacional. Una prueba extremadamente interesante de nuestro hallazgo sería la observación de la desviación precisa de la luz gravitacional por galaxias individuales, lo cual es una medición difícil. Nuestra teoría predice una desviación de luz más fuerte para galaxias muy compactas, por lo que, emocionante, algún día podría ser falsificado o confirmado por tal medida.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.