Esta es una traducción de un artículo de Mark Anderson de New Scientist (18-24 de marzo de 2017).
Fuerza sorprendentemente atractiva
En teoría, la gravedad debería ser una fuerza predecible. La conocemos bien, gracias a ella estamos firmemente en la Tierra y nuestra atmósfera no vuela al espacio. Si tomamos una escala mayor, entonces esta fuerza influyó en la evolución del universo mismo. Qué insultante que a veces la gravedad nos falla. Para explicar la rotación en espiral de galaxias y cúmulos de galaxias por gravedad en la forma en que la entendemos, necesitamos crear una forma de materia completamente nueva que nadie haya presenciado de primera mano: la materia oscura. Para explicar la aceleración de la expansión del Universo, necesitamos inventar una entidad igualmente misteriosa: la energía oscura.
¿Pero qué pasa si nunca entendemos completamente la gravedad? ¿Qué pasa si la gravedad no cumple con las reglas en algún lugar fuera de nuestro campo de visión?
Pensar eso es prácticamente una herejía, aunque tales ideas no son nuevas. Sin embargo, recientemente, investigaciones recientes sobre galaxias y resultados inesperados del campo de la informática cuántica nos han empujado con una nueva fuerza a repensar nuestra comprensión de la gravedad. Aparecen nuevas ideas radicales en las que nuestras ideas sobre el espacio-tiempo y la esencia de la gravedad se transforman completamente. No hay lugar para la materia oscura en la nueva imagen del mundo, y la energía oscura, en lugar de resistir la gravedad, puede generarla en parte.
Isaac Newton y Albert Einstein nos dieron casi todo lo que sabemos sobre la gravedad. Newton nos explicó que la fuerza de atracción disminuye inversamente con el cuadrado de la distancia, y Einstein, que la gravedad aparece como resultado de la curvatura del espacio-tiempo por objetos masivos.
La ley de gravitación universal de Newton establece que en las estrellas más alejadas del centro de la galaxia, la fuerza de gravedad es más débil que en las estrellas ubicadas más cerca del centro de la galaxia, por lo que la velocidad de la primera es menor. Sin embargo, en la década de 1970, los astrónomos, incluida Vera Rubin, notaron que la velocidad de las estrellas distantes del centro de las galaxias no disminuyó según lo previsto. En cambio, la velocidad se estabilizó, lo que solo podría explicarse por la presencia de algo de materia invisible que rodea la galaxia y crea una atracción adicional. Desde entonces, hemos tratado sin éxito de encontrar este asunto.
El juego no sigue las reglas.
Es cierto que no todos participaron en las búsquedas. En la década de 1980, Mordehai Milgrom, que trabajaba en la Universidad de Princeton, demostró que podíamos explicar las rarezas en la velocidad de rotación de las galaxias sin la participación de la materia oscura. Para hacer esto, solo tenemos que descartar la idea de que con el aumento de las distancias, la gravedad siempre se comporta según lo predicho por Newton y Einstein. La teoría de Milgrom, conocida como MOND (Dinámica Newtoniana Modificada), sugiere que la gravedad se debilita más suavemente de lo que Newton afirmó. Tan pronto como la aceleración de un objeto causada por la gravedad cae por debajo de un cierto valor, o más bien se vuelve 82 mil millones de veces más débil que la aceleración de la gravedad en la Tierra, la gravedad cambia repentinamente a un nuevo modo.
Milgrom logró cierto éxito al aplicar su teoría a las galaxias espirales, pero MOND no fue ampliamente utilizado. Para empezar, con su ayuda fue imposible calcular cúmulos de galaxias que no podrían formar cúmulos propiamente dichos sin la participación de materia oscura o sin hacer cambios más radicales en la teoría de la gravedad además de los permitidos por MOND. Además, los cambios sugeridos por esta teoría parecían demasiado aleatorios. ¿Por qué la fuerza de la gravedad cambiaría repentinamente en este punto aparentemente arbitrario?
Y, sin embargo, MOND sigue a flote y, en menor medida, debido a que nunca se detectó materia oscura. "Hay dos posibilidades", dice John Moffat, del Perimeter Institute for Theoretical Physics en Waterloo, Canadá, "o encontraremos una fuente invisible de atracción adicional y nos aseguraremos de que Newton y Einstein tengan razón, o no encontraremos nada". En este caso, necesitaremos refinar la gravedad ".
El año pasado, tal vez, finalmente, llegó un punto de inflexión. Stacy McGaugh, astrónoma de la Universidad Case Western Reserve en Cleveland, Ohio, y sus colegas revisaron más de 150 galaxias espirales de la piel con nuestra galaxia, la Vía Láctea. Cuando compararon la fuerza de atracción calculada con la velocidad de rotación del disco de galaxias, descubrieron que más cerca del borde del disco, las estrellas giran a velocidades anormalmente altas.
¿Y qué hay de esto? Después de todo, es precisamente este comportamiento el que ya hemos observado repetidamente antes, y puede explicarse envolviendo la galaxia con una nube de materia oscura. Sin embargo, en una evaluación estadística, McGaw utilizó el control cruzado. Tomó toda la materia visible en todas las galaxias y comparó la fuerza atractiva de esta materia en cada punto con la velocidad de rotación de las estrellas cercanas. Como resultado, recibió una relación sorprendentemente cercana entre la velocidad de rotación de las galaxias y la distribución de la materia visible que contienen.
Lee Smolin, un teórico en el Perimeter Institute en Canadá, estaba asombrado. Tal relación es "equivalente a la ley de la naturaleza", dice. No espera que esto suceda si algo más que la materia visible afecta a las galaxias.
Aún más sorprendente es el hecho de que esta estrecha relación entre la materia visible y el movimiento de las estrellas permanece en una amplia gama de galaxias diferentes, a pesar de que la materia oscura en ellas se distribuye de manera diferente. La materia oscura no debe seguir mansamente a la materia ordinaria. Por lo tanto, interactúa con la materia ordinaria o es en sí mismo más fuerte de lo que predice el modelo simple, o algo está mal con la gravedad.
El trabajo de McGaw no es la única razón que nos obliga a plantear esta pregunta herética nuevamente. Uno de los mayores problemas para MOND es el comportamiento de los cúmulos de galaxias. Al igual que las estrellas en el borde de las galaxias, las galaxias en el borde de los cúmulos también se mueven demasiado rápido, un hecho que se explica por la materia oscura. La observación del efecto de la lente gravitacional (una ligera curvatura de la luz por el campo gravitacional de los objetos masivos) sugiere que la fuerza adicional que imparte velocidad a las galaxias no está donde está la materia visible. Es simplemente imposible explicar el comportamiento de los cúmulos de galaxias sin la participación de materia invisible, al menos se cree.
El ejemplo más famoso es el cúmulo Bullet (Bullet Cluster 1E 0657-558, imagen del título), llamado así por su similitud con la imagen en cámara lenta de una bala que desgarra un objetivo. Para muchos cazadores de materia oscura, esta es la mejor evidencia de que cazan a esta bestia no en vano, y existe. Pero Pavel Kroupa, de la Universidad de Bonn en Alemania, afirma lo contrario: esta colisión intergaláctica de alta velocidad solo puede explicarse por la teoría MOND.
"La comparación con la imagen de una bala golpeando un objetivo es ciertamente una broma para las masas", dice. Krupa afirma que en un marco de tiempo realista, la gravedad estándar es demasiado débil para causar colisiones de galaxias tan calientes y violentas, como observamos en el cúmulo Bullet. La materia oscura en las etapas iniciales de una colisión puede darle la alta velocidad que observamos, pero ya interferirá con todas las interacciones posteriores. "El halo de materia oscura se asemeja a una red", dice Krupa. "Captura cualquier galaxia a su paso". Por lo tanto, un par de galaxias en colisión que continúan moviéndose a altas velocidades incluso después de una colisión es muy difícil de explicar. "Este es un gran problema para un modelo cosmológico estándar", dice Krupa. "Pero con la gravedad modificada ... no hay tal problema".
La esencia de MOND es que a distancias galácticas e intergalácticas, donde no podemos medir directamente la fuerza de gravedad, es más fuerte de lo que pensábamos. Y esta, y no una materia invisible, será la explicación más simple de por qué la materia en tal escala se mueve más rápido y choca más de lo que Newton y Einstein predicen.
Esto no significa que la teoría MOND no tenga problemas definidos cuando se trata de interacción dentro de los cúmulos de galaxias. En el Bullet Cluster usando telescopios, identificamos dos lugares distintos donde la lente gravitacional es más pronunciada, lo que significa que hay una mayor concentración de masa, que no coincide con la cantidad de materia ordinaria que observamos en estos lugares.
Milgrom insiste en que este problema no es una amenaza tan terrible para su modelo, como muchos creen. "Solo una pequeña cantidad de masa no contabilizada, que puede convertirse en la materia más común, por ejemplo, estrellas muertas o nubes de gas frío, que aún no hemos descubierto, es suficiente", dice.
Pero aunque las observaciones no han confirmado esto, otros científicos están buscando soluciones teóricas para este problema. Una de esas soluciones es un modelo híbrido en el que la materia oscura se comporta como un hombre lobo: pasa libremente a través de las galaxias, creando gravedad adicional, consistente con la teoría MOND, pero en los cúmulos de galaxias se comporta como la materia oscura ordinaria.
Otra opción que de repente volvió a ponerse de moda es modificar MOND. Eso es exactamente lo que hace Moffat. En su entendimiento, la fuerza atractiva cambia después de agregar la fuerza repulsiva, que a su vez depende de la distancia, debido a que, a distancias pequeñas, la fuerza atractiva obedece la ley del cuadrado inverso de Newton, pero en las afueras de la galaxia se debilita. En tal imagen del mundo, la gravedad es más fuerte de lo que Newton creía, y se comporta como lo predice MOND.
Moffat afirma que su teoría puede explicar la rotación de galaxias y velocidades anormales en el cúmulo Bullet. Pero la característica principal de su teoría es que cerca de los agujeros negros, las fuerzas de atracción son más fuertes de lo que incluso MOND predice, lo que puede darnos la oportunidad de probar esta teoría.
Si pudiéramos mirar un agujero negro, veríamos un disco negro rodeado por una sombra causada por lentes gravitacionales extremadamente fuertes. En 2015, Moffat calculó que, según su teoría, la sombra alrededor de un agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea sería 10 veces mayor que la predicha por GR. Y luego Event Horizon entra en escena
Telescopio (EHT): una red global de radiotelescopios, cuyo lanzamiento está programado para abril de este año, por primera vez capaz de obtener imágenes detalladas de los agujeros negros. Al menos teóricamente, podemos observar esta sombra hinchada, si, por supuesto, está allí.
Sin embargo, sea lo que sea lo que elijamos, la teoría MOND tradicional o la gravedad Moffat modificada, existe un gran problema que no puede ignorarse: la evidente falta de una teoría fundamental. ¿Por qué la gravedad se desvía repentinamente del rumbo que Newton y Einstein le dieron, e incluso, al parecer, en un punto aleatorio? La respuesta a esta pregunta se puede obtener si revisamos radicalmente nuestra comprensión de la esencia de la gravedad.
El año pasado, Erik Verlinde de la Universidad de Amsterdam en los Países Bajos ofreció una nueva perspectiva sobre esto. Él cree que la gravedad no surge por sí sola, sino como resultado de las interacciones entre bits entrelazados de información cuántica.
El enredo es una conexión profunda y al mismo tiempo profundamente paradójica entre pares o grupos de partículas, cuando la exposición a una partícula provoca una reacción en otras, incluso si están separadas por grandes distancias. Desde finales de la década de 1990, los físicos han aprendido cómo obtener la gravedad newtoniana y de Einstein utilizando redes de bits cuánticos enredados. El problema es que solo funciona en el universo teórico conocido como el Espacio Anti-de Sitter, que se comporta de manera diferente al universo donde vivimos.
La diferencia clave es que en nuestro universo, el vacío no es tan tranquilo e inmóvil. Está lleno de energía oscura, una sustancia o fuerza misteriosa, que se cree que es responsable de acelerar la expansión del espacio-tiempo.
En lugar de tratar de resolver este problema, Ferlinde observó cómo la gravedad, causada por la interacción entre bits entrelazados de información cuántica, se comporta en un universo donde hay energía oscura. Como resultado, obtuvo una nueva imagen de la gravedad, en la que la energía oscura le da al entrelazamiento de los bits cuánticos un poco de elasticidad adicional.
"Resulta que la energía oscura es un medio elástico", dice Ferlinde, "y si agrega masa allí, deforma este medio". La elasticidad adicional, agrega, creada por la energía oscura, alimenta la fuerza de atracción a grandes distancias, lo que finalmente conduce a la aparición de efectos adicionales a una distancia que se asemejan a la teoría MOND de Milgrom.
Las ideas de Ferlinde causaron una gran impresión, pero aún no está claro cuán conectadas están. "Comienza con la energía oscura y dice que conduce a algo parecido a la materia oscura", dice Sabine Hossenfelder, del Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt en Alemania. "Él está haciendo todo lo posible para conciliar sus hipótesis con la gran suposición, que en los últimos años ha ganado una gran popularidad, que el espacio-tiempo surge del enredo". Pero no estoy seguro de que haya una necesidad ".
En un estudio reciente, se descubrió que si tomamos el punto de vista de Ferlinde sobre la gravedad, podemos explicar las anomalías en las lentes gravitacionales observadas cerca de aproximadamente 30,000 galaxias. Pero su teoría ha sido criticada por hacer predicciones que en realidad difieren de MOND. En un trabajo científico en coautoría con McGaugh, por ejemplo, dice que la teoría de Ferlinde difiere de MOND en general: una explicación de la rotación anormal de las galaxias. Además, su teoría predice el movimiento de los planetas, que en realidad no observamos en nuestro sistema solar.
Smolin, por su parte, propuso un intento más modesto de derivar la física MOND de los principios de la gravedad cuántica y, a diferencia de la teoría de Ferlinde, sus resultados no difieren de la teoría MOND. Ninguno de ellos afirma que recibió una teoría completa de la gravedad cuántica. Pero una cosa está clara: a la pregunta de por qué la gravedad se comporta de manera tan extraña a grandes distancias, los teóricos comenzaron a recibir respuestas.
"No sabemos a dónde nos llevará la teoría final, porque todavía no la hemos traído", dice McGaw. "Por lo tanto, antes de seguir adelante, no podemos llegar a ningún lado desde el momento de la confusión y las vacilaciones".