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Cómo murió el principal rival de la materia oscura

La única forma sería cambiar las leyes de la gravedad, pero la mejor de nuestras observaciones ha notado tales cambios.



La diferencia entre lo esperado y lo observado ha crecido con los años, y estamos cada vez más tensos para llenar este vacío.
- Jeremiah P. Ostriker


Si está interesado en el cosmos, el Universo y lo que hay en él, debería haber escuchado sobre la materia oscura, o al menos sobre el problema de la materia oscura. Repasemos brevemente lo que puede ver si observa el Universo con la ayuda de la tecnología de telescopio más grande que la humanidad ha podido crear.



No, no esta imagen. Puedes ver esto con un ojo muy bien armado: una pequeña región del espacio que contiene algunas estrellas tenues en nuestra galaxia, y nada más.

Examinamos no solo esta región en particular, sino también muchas otras similares, utilizando herramientas increíblemente sensibles. Incluso para una región así, desprovista de estrellas brillantes, galaxias o cúmulos y grupos famosos, solo necesitamos apuntar nuestras cámaras hacia ella durante bastante tiempo. Y si pasa mucho tiempo, comenzaremos a recolectar fotones de fuentes increíblemente oscuras y distantes. Esta pequeña área llamada XDF es el resultado de observar en el experimento Hubble eXtreme Deep Field, una región tan pequeña que tomaría 32,000,000 para cubrir todo el cielo nocturno de esas regiones. Y aún así vieron el telescopio allí. Hubble



En esta imagen, se encuentran 5500 galaxias únicas, lo que significa que en el Universo hay al menos 200 mil millones de galaxias. Pero a pesar de la impresión causada por esta cantidad, este aún no es el descubrimiento más impresionante que hicimos sobre el Universo al estudiar la gran cantidad y variedad de galaxias, grupos y cúmulos.

Piensa en lo que hace brillar a estas galaxias, ya sea que se encuentren muy cerca de nosotros o en decenas de miles de millones de años luz.



¡Son estrellas brillantes en las galaxias! En los últimos 150 años, uno de los principales logros de la astronomía y la astrofísica ha sido la comprensión de cómo se forman, viven, mueren y brillan las estrellas durante la vida. Cuando medimos la luz estelar de cualquiera de las galaxias visibles, podemos saber de inmediato qué estrellas están presentes en ella y cuál es su masa total.

Recuerde este hecho a medida que avanzamos: la luz de galaxias, grupos y cúmulos nos informa sobre la masa de estrellas contenidas en una galaxia, grupo o cúmulo. ¡Pero podemos medir no solo la luz de las estrellas!



Podemos medir el movimiento de las galaxias, la velocidad de su rotación, sus velocidades relativas, etc. Esto nos da mucho, porque según las leyes de la gravedad, si medimos su velocidad, ¡podemos calcular cuánta masa y materia debería haber en ellas!

Piénselo: las leyes de la gravedad son universales, lo que significa que son las mismas en todo el universo. La ley que rige el sistema solar debe ser la misma que la ley que rige las galaxias. Resulta que tenemos dos formas diferentes de medir la masa de las estructuras más grandes del universo:

Podemos medir la luz de las estrellas que emanan de ellos, y dado que conocemos los principios del funcionamiento de las estrellas, podemos suponer cuánto contienen masas.
Podemos medir su movimiento, sabiendo si están conectados por la gravedad y cómo exactamente. Según la gravedad, podemos suponer cuánta masa hay en estos objetos.

Y hacemos una pregunta importante: ¿convergen estos dos significados y cuánto?



¡No solo no convergen, ni siquiera se paran cerca! Si calcula la cantidad de masa en las estrellas, obtiene un número, y si calcula la cantidad de masa en función de la gravedad, obtiene un número 50 veces mayor. Esto sucede independientemente de si estudias galaxias pequeñas, galaxias grandes o grupos y cúmulos de galaxias.

Resulta algo bastante importante: o el 98% de toda la materia del Universo no está contenida en las estrellas, o nuestra idea de la gravedad es incorrecta. Veamos la primera opción, ya que tenemos muchos datos.



Puede haber bastantes cosas además de las propias estrellas, que constituyen la masa de galaxias y cúmulos, que incluyen:
  • trozos de materia no luminosa, como planetas, lunas, pequeños satélites, asteroides, bloques de hielo, etc.
  • gas interestelar neutro e ionizado, polvo y plasma;
  • agujeros negros;
  • restos de estrellas como enanas blancas y estrellas de neutrones;
  • estrellas muy tenues y estrellas enanas.


El hecho es que medimos una gran cantidad de tales objetos y la cantidad total de materia normal (que consiste en protones, neutrones y electrones) en el Universo a partir de varias observaciones independientes, incluida la abundancia de elementos de luz, radiación cósmica de fondo de microondas, estructuras a gran escala del Universo, etc., gracias a la astrofísica. observaciones Incluso limitamos con bastante precisión la contribución de los neutrinos; Y esto es lo que aprendimos.



Alrededor del 15-16% de la cantidad total de materia en el Universo consiste en protones, neutrones y electrones, y la mayor parte está en gas y plasma interestelar (e intergaláctico). Posiblemente hay otro 1% en forma de neutrinos, y el resto está en la masa, que no consiste en partículas presentes en el Modelo Estándar.

Este es el problema de la materia oscura. Es posible que la adición de alguna nueva forma invisible de materia no sea una solución, sino que simplemente las leyes de la gravedad a gran escala no funcionan de esa manera. Permíteme contarte una breve historia del problema de la materia oscura y lo que aprendimos sobre él con el tiempo.



La formación de estructuras a gran escala fue inicialmente mal concebida. Pero a partir de la década de 1930, Fritz Zwicky comenzó a medir la luz estelar proveniente de galaxias en cúmulos, así como la velocidad de galaxias individuales entre sí. Notó la gran discrepancia mencionada anteriormente entre la masa presente en las estrellas y la masa que debe estar allí para conectar los grupos entre sí.

Este trabajo ha sido ignorado en general durante casi 40 años.



Cuando comenzamos a realizar observaciones cosmológicas a gran escala en la década de 1970, como PSCz, sus resultados mostraron que, además del problema de la dinámica de los grupos de Zwicky, las estructuras que observamos necesitaban una fuente de masa invisible no bariónica para que estas estructuras existieran. (Desde entonces, estos resultados han sido mejorados por observaciones como 2dF, arriba y SDSS).

También en la década de 1970, el trabajo de Vera Rubin, original y muy influyente, atrajo una nueva atención a la rotación de las galaxias y al problema de la materia oscura demostrada vívidamente por ellas.



Según los datos conocidos sobre la ley de la gravedad y las observaciones sobre la densidad de la materia normal en las galaxias, uno esperaría que, alejándose del centro de una galaxia espiral giratoria, las estrellas que giran alrededor de su centro reducirían su velocidad. Esto debería recordar un fenómeno en nuestro sistema solar, cuando Mercurio tiene una velocidad orbital más alta, entonces Venus tiene esta velocidad menos, Marte aún menos, etc. Pero en las galaxias giratorias, en cambio, resulta que la velocidad de rotación de las estrellas permanece constante si te alejas más y más del centro, lo que sugiere que contiene más masa de la que puede contener la materia normal, o las leyes de gravedad requieren mejoras



La materia oscura fue el líder entre las soluciones propuestas para este problema, pero nadie sabía si era bariónica o no, qué características de temperatura tenía y si interactúa consigo misma y con la materia normal. Teníamos limitaciones en lo que ella no podía hacer, y algunas simulaciones tempranas prometedoras, pero nada particularmente convincente. Y luego comenzaron a aparecer alternativas.



MOND, o dinámica newtoniana modificada, una dinámica newtoniana modificada, se propuso a principios de la década de 1980 como una explicación experimental y empírica de la rotación de las galaxias. Para estructuras pequeñas a escala galáctica, funcionó bien, pero no pudo hacer frente a grandes escalas. No podía explicar los cúmulos galácticos, las estructuras a gran escala y la abundancia de elementos ligeros, entre otras cosas.

Y aunque los especialistas en la dinámica de las galaxias se apoderaron de MOND, porque explicaba las curvas de rotación de las galaxias mejor que la materia oscura, todos los demás eran muy escépticos, y no en vano.


Doble cuásar, el primer objeto en someterse a lentes gravitacionales

Además de las fallas con estructuras más grandes que las galaxias individuales, la teoría resultó ser una teoría de la gravedad poco confiable. No era relativista, y no podía explicar la curvatura de la luz de las estrellas bajo la influencia de la masa, el cambio gravitacional en el tiempo y el desplazamiento al rojo, el comportamiento de los púlsares dobles o todos los demás fenómenos gravitacionales relativistas, cuyo cumplimiento con las predicciones de Einstein se confirmó. El santo grial de MOND, algo que exigían los partidarios de la materia oscura, incluyéndome a mí, era una versión tan relativista que podría explicar las curvas de rotación de las galaxias junto con todos los otros éxitos de la teoría de la gravedad actual.





Recientemente, la NASA lanzó un conjunto de imágenes desde el telescopio. Hubble, que observó aún más el pasado del Universo debido al fenómeno de la lente gravitacional, una consecuencia de la teoría de la gravedad de Einstein. MOND no puede explicar este fenómeno como se observa: para ninguna de las galaxias con lentes, múltiples imágenes, estiramientos o la magnitud de la curvatura de la luz.

Todo esto requiere materia oscura, o alguna fuente invisible de masa, que no consista en ningún Modelo Estándar de partículas conocido. Pero esta no es la única evidencia que tenemos que refuta las alternativas a la teoría de Einstein o incluso los cambios hipotéticos que aún no se han descubierto, lo que nos permitirá reproducir MOND.



Con los años, la materia oscura ha logrado muchos éxitos cosmológicos. A medida que la comprensión de las estructuras a gran escala del Universo mejoró de malo a bueno, y apareció la medición exacta del espectro de potencia de la materia (arriba) y las fluctuaciones de la radiación de fondo cósmico de microondas (abajo), se descubrió que la materia oscura funciona bien a grandes escalas.



En otras palabras, las nuevas observaciones, al igual que las observaciones hechas para la nucleosíntesis del Big Bang, correspondían al Universo, que contiene cinco veces más materia oscura (no barión) que la ordinaria.

Luego, en 2005, se descubrió evidencia. Vimos dos cúmulos galácticos durante la colisión, y esto significa que cuando confirmemos la teoría de la materia oscura, veremos cómo la materia bariónica - gas interestelar e intergaláctico - colisiona y se calienta, y la materia oscura y la señal gravitacional deben atravesarla. y no bajes la velocidad. A continuación puede ver las observaciones en el rango de rayos X del cúmulo Bullet en rosa, sobre el cual se superpone la lente gravitacional representada en azul.



Fue una gran victoria para la materia oscura y un gran desafío para todos los modelos de gravedad alterada: si la materia oscura no existe, ¿cómo habría podido el clúster "separar la masa y el gas" después de la colisión, pero no antes?

Sin embargo, las escalas pequeñas siguen siendo un problema para la materia oscura; todavía no explican la rotación de galaxias individuales, así como la MOND. Y gracias a su versión relativista, TeVeS, formulada por el difunto Jacob Bekenstein, todo parece que MOND tiene una oportunidad.

La lente gravitacional (realizada por la materia ordinaria) y algunos fenómenos relativistas pueden explicarse con su ayuda y, finalmente, una forma comprensible parecía distinguir entre las dos teorías: era necesario encontrar un fenómeno observable en el que las predicciones de TeVeS diferirían de las predicciones de la Relatividad general. Sorprendentemente, tal situación existe en la naturaleza.



Estrellas de neutrones rotatorias: los restos de estrellas ultramasivas que se convirtieron en una supernova y dejaron atrás el núcleo atómico de la masa solar: pequeños objetos, de solo unos pocos kilómetros de diámetro. ¡Imagina un objeto 300,000 veces más pesado que nuestro planeta, comprimido en la centésima millonésima parte de la Tierra! Uno puede imaginar que cerca de estos tipos los campos gravitacionales se vuelven realmente intensos y nos dan algunas de las pruebas más convincentes en el campo de los campos fuertes y la teoría de la relatividad.

Sucede que en una estrella de neutrones sus "rayos" axiales se dirigen directamente a nosotros, y "pulsan" cada vez que la estrella completa su rotación, ¡y estos objetos pequeños pueden hacerlo hasta 766 veces por segundo! (En el caso de tales pulsaciones, las estrellas de neutrones se llaman púlsares). En 2004, se descubrió un sistema aún más raro: ¡un doble púlsar!



En los últimos diez años, se ha observado la danza gravitacional cercana de este sistema, y ​​el GRT de Einstein se ha sometido a una prueba sin precedentes. Verá, cuando los cuerpos masivos se mueven en órbitas alrededor de otros en campos gravitacionales muy fuertes, deben emitir una cantidad muy específica de radiación gravitacional. Y aunque no tenemos la tecnología para medir directamente estas ondas, ¡tenemos la capacidad de medir la disminución de las órbitas debido a esta radiación! Michael Kramer del Instituto de Radio Astronomía. Max Planck fue uno de los científicos que trabajó con este caso, y esto es lo que dijo sobre las órbitas en este sistema:

descubrimos que esto conduce a una disminución de la órbita en 7.12 milímetros por año, con un error de nueve milésimas de milímetro.

¿Y qué pueden decir TeVeS y GTR sobre esta observación?



Es consistente con la teoría de la relatividad en un 99.95% (con un error de 0.1%) y, preparado, descarta todas las encarnaciones físicamente significativas de los Tekens de Bekenstein. Como el científico Norbert Wex declaró con brevedad sin precedentes:
Desde nuestro punto de vista, esto refuta TeVeS.


De hecho, la simulación más precisa de la formación de estructuras (utilizando GR y materia oscura) en la historia ha sido publicada recientemente, y es consistente con todas las observaciones compatibles con nuestras capacidades técnicas. ¡Mira este increíble video de Mark Vogelsberger y maravíllate!



Y, considerando todo esto, esta es la razón por la cual el principal rival de la materia oscura abandonó la competencia. Fue asesinado no por dogma, consenso o voluntad política, sino por las propias observaciones: púlsares, grupos en colisión, radiación cósmica de microondas, estructuras a gran escala, lentes gravitacionales. Todavía no está claro por qué MOND se comporta mejor en la escala de las galaxias, pero hasta que pueda explicar todos los demás fenómenos observados, seguirá siendo un fantasma de la teoría.

Source: https://habr.com/ru/post/es397005/

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