¿La materia oscura en [serios] problemas? (Parte I)

Dedicado a Antonio García González. Con la colaboración de Gema Hebrero Domínguez, astrofísico. Nota: Algunos de los enlaces que aparecen en esta noticia llevan a páginas escritas en idioma inglés.
En el número de abril de 2007 de Sky & Telescope aparece un interesante artículo escrito por Govert Schilling: “Battelfield Galactica: Dark Matter vs. MOND”. En él se pretende explicar el estado actual del enfrentamiento entre el “modelo estándar” y el modelo “MOND” (Dinámica Newtoniana Modificada). El artículo se complementa con una corta reseña de Dan Hooper: “A Particle Physicist’s Perspective on Dark Matter”.
Cuando se mide la velocidad a la que desplaza la materia visible que se observa en los exteriores de las galaxias se comprueba que esa velocidad es más alta de lo que debería ser conforme a la Ley del Inverso del Cuadrado de la Distancia de Newton. O dicho en otras palabras, esa velocidad es tan elevada que esa materia que se encuentra en el exterior de las galaxias debería salir despedida al vacío abandonando la galaxia en la que se encuentra. Conforme a la mayoritariamente aceptada hipótesis del modelo estándar, existe una materia oscura que mantiene unidas gravitatoriamente a todas esas estructuras, siendo esta materia oscura una elusiva forma de materia que no emite luz, pero que interacciona gravitacionalmente con el resto de materia visible del Universo. Lo que sigue no es sino un comentario del referido artículo de Sky and Telescope con algunos añadidos para profundizar en el tema. La “Dinámica Newtoniana Modificada” (MOND) nació en 1983, cuando Mordehai Milgrom (Instituto Weizmann en Revohot, Israel) publicó un artículo en el que pretendía explicar la rotación de las galaxias, de los cúmulos y de las grandes estructuras del Universo, pero sin recurrir a la materia oscura. MOND parece que está acumulando poco a poco más pruebas observacionales y se está haciendo más fuerte. Sin embargo una apabullante mayoría de físicos y astrónomos acepta y trabaja de acuerdo con el modelo estándar, según el cuál el universo estaría dominado por la materia oscura.

Velocidad de las estrellas esperada (A) y observada (B) en función de sus distancias al centro galáctico. Crédito: Wikipedia

Si la gravedad fuera proporcional a la distancia pero no a su cuadrado, las estrellas y el gas del exterior de las galaxias tendrían la misma velocidad orbital que otros objetos que se encontraran más cerca del centro de su respectiva galaxia. Milgrom siempre se ha preguntado por qué la hipotética materia oscura debe estar distribuida exactamente en la misma proporción para que su efecto oculte esa diferencia que se puede explicar mediante una simple ley de fuerzas. El astrónomo Stacy McGaugh (de la Universidad de Maryland) opina en este sentido: “Supongamos que Newton, basándose en su estudio del sistema solar, hubiera formulado una ley del cuadrado de la distancia, dicendo que esa observada ley del inverso del cuadrado es el resultado de una misteriosa y no detectada materia oscura. Eso habría sido claramente menos satisfactorio que la simple adopción de la ley de fuerzas observada.”
Precisamente en las Galaxias de Bajo Brillo Superficial (LSB), en las que los modelos de la materia oscura han encontrado mayores problemas es donde MOND se muestra especialmente efectiva.
TeVes
El reconocido teórico Jacob Bekenstein (Universidad Hebrea de Jerusalem) reforzó la Dinámica Newtoniana Modificada (MOND) con una versión relativista de la misma. Según HongSheng Zhao, (Alianza Física de la Universidad Escocesa de St. Andrews) fue “un desarrollo crucial para que la gente se tomara esto en serio”. La teoría de TeVes o Tensor/Vector/Escalar introduce tres campos diferentes en el espacio tiempo para reemplazar el campo gravitatorio. AstroSETI ya publicó hace algo más de un año una noticia acerca de cómo, resolviendo la ecuación de Einstein, Zhao podía llegar a la conclusión de que la materia oscura no es realmente necesaria para explicar un gran número de fenómenos del Universo, siendo uno de ellos la curva de rotación de las galaxias.
El cúmulo bala

El cúmulo bala (Bullet Cluster), conocido formalmente como 1E0657-56, se encuentra, según su corrimiento al rojo, a unos 4 000 millones de años luz en la constelación de Carina y consiste en dos cúmulos de galaxias en colisión. Crédito: Rayos X: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Óptico: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Mapa de lente gravitatoria: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

Desde que fueran presentadas por la NASA determinadas observaciones el 21 de agosto de 2006, se le considera como la prueba más fiable de la existencia de la materia oscura. Los tres componentes del cúmulo, a saber, las estrellas, el gas caliente y la supuesta materia oscura se comportan de modo diferente durante la colisión. Mientras que las estrellas de las galaxias no se ven afectadas gravitatoriamente en exceso por la colisión y pasan a través sin ser afectadas en exceso, el gas caliente (detectado mediante rayos X y que supone la mayor parte de la materia visible del cúmulo) interactúa electromagnéticamente produciendo que su velocidad cambie en mayor medida de cómo lo hacen las estrellas de la galaxia. Por el contrario, la supuesta materia oscura es más fuerte en dos regiones separadas cerca de las galaxias visibles y no colisiona. Esta materia oscura (que aparece en color azul en la imagen superior) se detecta de forma indirecta gracias al efecto de lente gravitatoria que se observa sobre las galaxias de fondo.
Por lo visto debería esperarse que la lente gravitatoria siguiera a la materia conocida, como el gas caliente, por ejemplo. La materia oscura no es frenada por el impacto porque hipotéticamente no interactúa gravitatoriamente ni consigo misma ni con el gas. Por este motivo las dos nubes de materia oscura que aparecen a ambos lados de la imagen se supone que han adelantado al gas durante la colisión de los cúmulos.
MOND no explica este sistema de lentes gravitatorias, al menos en principio, salvo que se presuponga que el neutrino tenga una masa algo más elevada de la que se le supone actualmente. La teoría TeVeS conseguiría de este modo que encajara el problema de la lente gravitatoria del cúmulo bala dentro de MOND
La falsabilidad de MOND

Mordehai Milgrom, autor del modelo MOND, que pone en duda la existencia de la materia oscura.

Las teorías científicas deben ser falsables. Es decir, que tiene que haber un modo de demostrar mediante la observación que no son ciertas. ¿Cómo se podría descartar MOND?
1.- Si se detectara la materia oscura.
2.- Si mediante una observación se contradijera una predicción sólida de MOND. Por ejemplo, si MOND predijera que hubiera menos materia en los cúmulos de lo que realmente viesen los astrónomos. De hecho MOND predice que los cúmulos de galaxias contienen el doble de materia de la que los astrónomos han detectado, pero que toda esta matería sería materia conocida: podría tratarse de neutrinos, protones, neutrones y electrones. Además el Big Bang predice que el Universo debería tener más materia conocida de la que los astrónomos han detectado. El modelo estándar predice seis veces más materia invisible de la que predice el modelo de MOND y que esa materia debería estar en forma de partículas que nunca han sido detectadas.
Todos los investigadores de MOND están de acuerdo en que el punto más fuerte de la teoría es su gran éxito al explicar y predecir las velocidades orbitales de las galaxias. Zhao dice que “incluso si MOND fuera incorrecta, habría que estudiar su enorme potencial para emitir predicciones”. También opina que es mucho más fácil demostrar que MOND es errónea de lo que lo es la teoría que defiende la materia oscura. Cúmulos globulares
En ellos no predomina supuestamente la material oscura, por lo que MOND puede encontrar ahí nuevas pruebas. Por medio de unas complicadísimas observaciones de cinco cúmulos globulares, el equipo de Ricardo Scarpa (Observatorio Europeo Austral) ha hallado pruebas de que en las zonas exteriores de algunos cúmulos globulares se puede hablar de un comportamiento compatible con MOND.
En el sistema solar
Teóricos como Bekenstein y Joao Magueijo plantean que existen determinados puntos errantes en nuestro sistema solar donde la gravedad del Sol y la de los planetas se cancelan entre sí y que en pequeñas burbujas en torno a esos puntos sería posible observar los efectos de MOND.
También sobre el sistema solar, la revista Espacio recuerda, en su número de marzo de 2007, la curiosa anomalía que John Anderson (JPL) observó en los datos de seguimiento de radio de las sondas Pioneer, que fueron enviadas al espacio en los años 1970. Se ha detectado un freno en el viaje de estas sondas desde que superaron la distancia de 20 Unidades Astronómicas de la Tierra. Se especula con que este misterioso efecto esté siendo provocado bien por la materia oscura, bien porque la gravedad esté actuando de un modo distinto del esperado. Próximamente nos acercaremos a este interesante problema, desde la perspectiva de la mecánica cuántica, en la segunda parte de "¿La materia oscura en [serios] problemas?". Por Jorge A. Vázquez para
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