Estos físicos prefieren la nueva teoría de la gravedad.

Se ha propuesto la materia oscura para explicar por qué las estrellas en el extremo más alejado de la galaxia pueden moverse mucho más rápido de lo que predijo Newton. Una teoría alternativa de la gravedad podría ser una mejor explicación.

Usando las leyes de la física de Newton, podemos modelar los movimientos de los planetas en el sistema solar con total precisión. Sin embargo, a principios de la década de 1970, los científicos descubrieron que esto no le funciono galaxias de disco Las estrellas en sus bordes exteriores, lejos de la fuerza gravitacional de toda la materia en su centro, se movían mucho más rápido de lo que predecía la teoría de Newton.

Como resultado, los físicos sugirieron que una sustancia invisible llamada «materia oscura«Proporcionaba un tirón gravitacional adicional, lo que provocaba que las estrellas se aceleraran, una teoría que fue ampliamente aceptada. Sin embargo, en un última revisión Mis colegas y yo sugerimos que las observaciones en una amplia gama de escalas se explican mucho mejor en una teoría alternativa de la gravedad llamada dinámica milgromiana o lunes – No requiere ningún material invisible. Fue propuesto por primera vez por el físico israelí Mordechai Milgrom en 1982.

La suposición básica de Mond es que cuando la gravedad se vuelve demasiado débil, como sucede cerca del borde de las galaxias, comienza a comportarse de manera diferente a la física newtoniana. De esta manera, es posible explique Por qué las estrellas, los planetas y el gas en las afueras de más de 150 galaxias giran más rápido de lo esperado basándose únicamente en su masa visible. Sin embargo, Mond no es sólo explique Como las curvas de rotación, en muchos casos, Suponer ellos.

filósofos de la ciencia discutir Que este poder de predicción hace que Mond sea superior al modelo cosmológico estándar, lo que sugiere que hay más materia oscura en el universo que materia visible. Esto se debe a que, según este modelo, las galaxias contienen una cantidad extremadamente incierta de materia oscura que depende de los detalles de cómo se formó la galaxia, que no siempre conocemos. Esto hace que sea imposible predecir qué tan rápido giran las galaxias. Pero tales predicciones se hacen rutinariamente con Mond, y eso se ha confirmado hasta ahora.

Imagine que conocemos la distribución de la masa visible en una galaxia pero aún no conocemos su velocidad de rotación. En el modelo cosmológico estándar, solo sería posible decir con cierta confianza que la velocidad de rotación estaría entre 100 km/sy 300 km/s en los suburbios. Mond da una predicción más específica de que la velocidad de rotación debería estar en el rango de 180-190 km/s.

Si las observaciones posteriores revelan una velocidad de rotación de 188 km/s, esto concuerda con ambas teorías, pero Mond es claramente el favorito. Esta es una versión reciente de La navaja de Occam – que la solución más simple es mejor que las soluciones más complejas, en cuyo caso debemos explicar las notas con el menor número posible de «parámetros libres». Los parámetros libres son constantes, ciertos números que debemos ingresar en las ecuaciones para que funcionen. Pero la teoría en sí no los dio, no hay razón para que exista ningún valor particular, por lo que tenemos que medirlo mediante la observación. Un ejemplo es la constante gravitacional, G, en la teoría o magnitud gravitacional de Newton materia oscura en galaxias dentro del Modelo Cosmológico Estándar.

Introdujimos un concepto conocido como «elasticidad teórica» ​​para capturar la idea detrás del código de Occam de que una teoría con la mayor cantidad de parámetros libres es consistente con una gama más amplia de datos, lo que la hace más compleja. En nuestra revisión, usamos este concepto cuando probamos el modelo cosmológico de Standard y Mond con varias observaciones astronómicas, como la rotación de galaxias y los movimientos dentro de los cúmulos de galaxias.

Cada vez, dimos una puntuación de elasticidad teórica entre -2 y +2. Una puntuación de -2 indica que el modelo está haciendo una predicción clara y precisa sin mirar los datos. Por el contrario, +2 significa «todo vale»: los teóricos podrían haber ajustado casi cualquier resultado observacional razonable (ya que hay tantos parámetros libres). También evaluamos qué tan bien se ajusta cada modelo a las observaciones, donde +2 indica un ajuste excelente y -2 se reserva para las observaciones que muestran claramente que la teoría es falsa. Luego restamos el grado de flexibilidad teórica del grado de concordancia con las observaciones, ya que hacer coincidir bien los datos es bueno, pero ser capaz de hacer coincidir cualquier cosa es malo.

Una buena teoría haría predicciones claras que luego se confirmarían, y una puntuación combinada de +4 en muchas pruebas diferentes sería mejor (+2 – (- 2) = +4). Una mala teoría obtendrá una puntuación entre 0 y -4 (-2 – (+ 2) = -4). Las predicciones precisas pueden fallar en este caso, y es poco probable que funcionen con la física incorrecta.

Encontramos un puntaje promedio para el modelo cosmológico estándar de -0,25 en 32 pruebas, mientras que Mond logró un puntaje promedio de +1,69 en 29 pruebas. Las puntuaciones de cada teoría en muchas pruebas diferentes se muestran en las Figuras 1 y 2 a continuación para el modelo cosmológico Estándar y Mond, respectivamente.

Figura 1. Comparar el modelo cosmológico estándar con observaciones basadas en qué tan bien se ajustan los datos a la teoría (optimización de abajo hacia arriba) y qué tan flexible es en el ajuste (altura de izquierda a derecha). El círculo hueco no se tiene en cuenta en nuestra evaluación, ya que esos datos se utilizaron para establecer parámetros libres. Reproducido de la Tabla 3 de nuestra revisión. crédito: Arxiv

Figura 2. Similar a la Figura 1, pero para Mond con partículas virtuales que interactúan solo por gravedad, se denominan neutrinos estériles. Tenga en cuenta que no hay falsificación aparente. Reproducido de la Tabla 4 de nuestra revisión. crédito: Arxiv

Inmediatamente queda claro que no se han identificado problemas significativos para Mond, que al menos concuerdan razonablemente con todos los datos (tenga en cuenta que las dos filas inferiores que indican falsificación están en blanco en la Figura 2).

problemas de materia oscura

Una de las fallas más llamativas del Modelo Cósmico Estándar tiene que ver con las «galaxias de barra» – regiones brillantes en forma de bastón hechas de estrellas – en las que las galaxias espirales se encuentran a menudo en sus regiones centrales (ver imagen principal). Las barras giran con el tiempo. Si las galaxias estuvieran incrustadas en enormes halos de materia oscura, sus barras se desacelerarían. Sin embargo, la mayoría, si no todas, las bandas galácticas observadas son rápidas. esto es falso Modelo cosmológico estándar con un alto grado de confianza.

Otro problema es que modelos originales Que las galaxias propuestas tengan halos de materia oscura cometieron un gran error: asumieron que las partículas de materia oscura proporcionan gravedad a la materia que las rodea, pero no se ven afectadas por la atracción gravitacional de la materia ordinaria. Esto simplifica los cálculos, pero no refleja la realidad. Cuando esto se tuvo en cuenta en Simulaciones posteriores Estaba claro que los halos de materia oscura alrededor de las galaxias no explican de forma fiable sus propiedades.

Hay muchas otras fallas del modelo cosmológico estándar que analizamos en nuestra revisión, y Mond a menudo pudo explicado naturalmente notas Sin embargo, la razón por la que el modelo cosmológico estándar es tan popular puede deberse a errores de cálculo o conocimiento limitado de sus fallas, algunas de las cuales se han descubierto recientemente. También puede deberse a la renuencia de la gente a modificar la teoría de la gravedad que ha tenido tanto éxito en muchas otras áreas de la física.

La gran ventaja de Mond sobre el modelo cosmológico estándar en nuestro estudio nos llevó a concluir que las observaciones disponibles favorecen fuertemente a Mond. Aunque no afirmamos que Mond sea perfecto, seguimos pensando que corrige el panorama general: las galaxias realmente carecen de materia oscura.

Escrito por Indranil Banik, Investigador Postdoctoral en Astrofísica, Universidad de St Andrews.

Este artículo fue publicado por primera vez en Conversación.

Referencia: “Desde los bastones galácticos hasta la tensión del Hubble: sopesando la evidencia astrofísica de la gravedad melgromiana
Por Indranil Banik y Hongsheng Zhao, 27 de junio de 2022 Disponible aquí simetría.
DOI: 10.3390 / sim14071331