¿Por qué consideramos esta o aquella teoría o hipótesis convincentes, y sus alternativas son poco probables? La respuesta a esta pregunta ha preocupado a los filósofos de la ciencia durante muchas décadas: la controversia de Karl Popper y Thomas Kuhn durante más de 40 años. Un ejemplo relativamente reciente para discutirlo es el desarrollo de ideas sobre la materia oscura. Se descubrieron signos de su existencia en la década de 1930, pero solo en la década de 1970 esta hipótesis comenzó a considerarse como la principal. Por qué
El problema de la materia oscura hoy es uno de los principales, tanto para la astrofísica como para la física en general. Se sabe que, al parecer, aproximadamente el 80% de la masa de galaxias consiste en una sustancia desconocida por la ciencia, que no se manifiesta de ninguna manera, excepto por su gravedad. Sorprendentemente, aunque los primeros signos de la existencia de esta masa, oculta a nuestros ojos, se descubrieron en la década de 1930, los científicos realmente no asumieron esta hipótesis en la década de 1970. ¿Por qué sucedió esto? Los autores del artículo
How Dark Matter Came to Matter , recientemente publicado en arxiv.org, sugieren una posible respuesta. Daré un breve recuento de sus tesis.
El problema de la velocidad de propagación de galaxias en cúmulos
En 1933, se publicó el ahora famoso artículo de Fritz Zwicky, en el que, después de estudiar las velocidades observadas del movimiento de galaxias en el Veronica Hair Cluster, descubrió que su propagación era demasiado grande: el cúmulo debería separarse, ya que su aparente masa total claramente no es suficiente para contener tal galaxias rápidas Dos astrónomos llegaron a una conclusión similar: Eric Holmberg y Sinclair Smith, quienes estudiaron otros sistemas galácticos.
Como una de las explicaciones, Zwicky introdujo la hipótesis de la materia oscura, una sustancia invisible que crea gravedad adicional y evita que los grupos se dispersen. Sin embargo, una discusión seria de estas observaciones comenzó solo después de dos décadas.
A fines de la década de 1950, aparecieron mediciones más precisas de los cúmulos galácticos, confirmando las observaciones de la década de 1930 y haciéndolas más exhaustivas. Luego, en 1958, Victor Hambardzumyan presentó una hipótesis alternativa: lo que vemos no es un estado de equilibrio. Las galaxias realmente se separan, tuvimos la suerte de observarlas en un momento en que todavía están relativamente cerca una de la otra.
Esta hipótesis, sin embargo, tuvo un gran problema. Según las estimaciones, la expansión de las galaxias debería ocurrir en decenas o cientos de millones de años, que es cientos de veces menos que la edad del Universo. Para nuestro tiempo, no debería haber un solo cúmulo galáctico. Pero vemos que en realidad hay muchos grupos.
Sea como fuere, la idea de que la sustancia visible es solo una quinta parte de la masa total no parecía menos radical, por lo que surgieron muchas explicaciones alternativas. Intentaron explicar la masa oculta con enormes áreas hipotéticas de hidrógeno ionizado, una gran cantidad de galaxias enanas, la necesidad de modificar las leyes de la gravedad, la alta densidad de la radiación gravitacional, la existencia de agujeros negros reliquias, neutrinos masivos y, por supuesto, simplemente errores de observación.
El problema de las curvas de rotación de galaxias
Al mismo tiempo, surgió un problema en un campo de astronomía completamente diferente, que también podría resolverse mediante la hipótesis de la materia oscura. En las décadas de 1950 y 1960, la radioastronomía se estaba desarrollando activamente, lo que hizo posible "ver" hidrógeno neutro previamente invisible sobre la base de la famosa línea de 21 cm. Con su ayuda, se midió la velocidad de rotación del gas en las galaxias y se construyeron sus curvas de rotación, la dependencia de la velocidad de rotación de las estrellas y el gas alrededor del centro de la galaxia en la distancia a este centro.
Y a principios de la década de 1970, se descubrió que estas curvas son demasiado "planas". Se esperaba que, de acuerdo con las leyes de Kepler, las velocidades disminuirían al alejarse del grupo principal de masa visible, pero se mantuvieron casi constantes. Hubo un problema de donde proviene la gravedad "extra", proporcionando una mayor velocidad.
La situación, sin embargo, era ambigua. Aunque en algunos trabajos se indicó explícitamente que las curvas de rotación observadas pueden explicarse por una determinada masa adicional no accesible para observación directa, este punto de vista no prevaleció. Parte del problema era que había muchos modelos de rotación de galaxias, y al variar los parámetros en ellos, era posible obtener un acuerdo relativamente bueno con las curvas observadas.
Bueno, aunque incluso entonces la hipótesis de la materia oscura podría resolver ambos problemas a la vez, era solo una de las muchas hipótesis posibles, en ese momento no muy convincente, y no sin sus inconvenientes. Y, en general, pocos consideraron estos dos problemas juntos.
Problemas de cosmología
Se produjo un cambio significativo en la percepción de la hipótesis de la materia oscura debido al desarrollo de un campo completamente diferente: la cosmología.
A principios del siglo XX, la mayoría de los científicos creían que nuestra galaxia es todo el universo. Pero a mediados de siglo quedó claro: esto está lejos de ser el caso. La misma radioastronomía condujo al descubrimiento de una gran cantidad de galaxias y, posteriormente, en 1963, objetos de una naturaleza completamente nueva: cuásares, objetos distantes superbrillantes que existieron en los albores del Universo. Quedó claro que el Universo no es estático, sino que de alguna manera evoluciona. Entonces surgió la cosmología.
La tarea principal de la cosmología era descubrir en qué escenario se estaba desarrollando el universo. Según el modelo más popular, que lleva el nombre de Friedman, hay tres versiones del universo: plano, abierto y cerrado. Cuál de ellos corresponde a nuestro Universo depende de los parámetros en las ecuaciones. Estos parámetros, por supuesto, deben determinarse a partir de observaciones, y el principal es la densidad de la materia en el Universo.
Lo más atractivo, principalmente de algunos sentimientos estéticos abstractos, para muchos cosmólogos fue el modelo de un universo cerrado. Para esto, la densidad de la sustancia debe ser del orden de 10
−29 g / cm³. De hecho, la estimación de la masa aparente era cien veces menor: 10
−31 g / cm³. Era imposible ignorar tal discrepancia.
Combinando tres problemas en uno y resolviendo
Y aquí los cosmólogos vinieron al rescate y surgieron problemas bien conocidos con las curvas de rotación y la propagación de las velocidades de las galaxias en cúmulos. En 1974, Jim Peebles, Jerry Ostriker y Amos Yahil reunieron todo y mostraron que la hipótesis de la materia oscura resuelve los tres problemas. Sin embargo, la elegancia de esta conclusión se vio ensombrecida por el hecho de que incluso teniendo en cuenta la masa oculta de galaxias, la densidad del Universo todavía resultó ser cinco veces menor que la requerida para un escenario "cerrado". Sin embargo, esto ya no era cien veces, y con un coeficiente de menos de 10, los astrofísicos aprendieron a soportar mucho antes de esto, sin embargo, las mediciones en este campo de la ciencia siempre no fueron muy precisas.
La misma conclusión fue alcanzada simultáneamente por otro grupo de científicos: el grupo estonio del Observatorio Tartu que consta de Jaan Einasto, Ants Kaasik y Enna Saar. Su artículo apareció en la revista Nature al mismo tiempo que el artículo de los estadounidenses, aunque lo enviaron unas semanas antes.
Sea como fuere, fueron los cosmólogos y su joven y rápidamente desarrollado campo de la ciencia los que finalmente se convirtieron en el "pegamento" que combinó evidencia dispareja y poco convincente en una teoría única y bastante coherente, que se basó en una sola hipótesis: la hipótesis materia oscura