La fusión de las estrellas de neutrones puso fin a las alternativas de la materia oscura y la energía oscura.

En los últimos momentos de la fusión, dos estrellas de neutrones no solo emiten ondas gravitacionales: hay una explosión de potencia catastrófica, que responde en todo el espectro electromagnético. La diferencia en el tiempo de llegada entre la luz y las ondas gravitacionales nos permite aprender mucho sobre el universo

Pregúntele al astrofísico sobre el mayor misterio del Universo hoy en día, y las dos respuestas más comunes serán "materia oscura" y "energía oscura". En qué consiste todo en la Tierra, los átomos, que a su vez están compuestos de partículas fundamentales, constituyen solo el 5% del presupuesto de energía cósmica. Y el 95% de la energía del Universo está contenida en estas dos formas, en forma de materia oscura y energía oscura, que hasta el día de hoy no se han observado directamente, o algo radicalmente incorrecto con nuestra idea del Universo. Las alternativas a estas teorías se han explorado durante bastante tiempo, y sus diversas variantes han tenido consecuencias físicas ligeramente diferentes. Después de observar por primera vez la fusión de las estrellas de neutrones y recibir señales en forma de ondas gravitacionales y luz de un espectro bastante amplio, una gran parte de estas alternativas fue rechazada. La materia oscura y la energía oscura han resistido la prueba del experimento.


El cúmulo galáctico dinámico ultramasivo Abell 370 , cuya masa gravitacional (y en su mayor parte es materia oscura) está marcada en azul

En astrofísica y cosmología, hay varios acertijos importantes que se suponía que la materia oscura y la energía oscura debían resolver. En la parte de la materia oscura, se asocian principalmente con la formación, rotación y acumulación de galaxias, y en parte de la energía oscura se asocian con la velocidad de expansión del Universo y su evolución en el tiempo. Algunas de las observaciones pueden justificarse mediante un pequeño refinamiento de la teoría de la gravedad , y esto no requiere materia oscura y energía oscura. Las personas que trabajan en estas mejoras esperan encontrar una, la correcta, una que también pueda hacer nuevas predicciones que difieran de las de las teorías de la materia oscura y la energía oscura, y que puedan verificarse.


La formación de la red cósmica está controlada por la materia oscura, y las estructuras a mayor escala están controladas por la velocidad de expansión y la energía oscura. Se forman pequeñas estructuras a lo largo de los filamentos debido al colapso de la materia ordinaria, sujeto a interacciones electromagnéticas.

Pero una modificación de la gravedad, ya sea tratando de explicar la materia oscura o la energía oscura (sin mencionar la explicación de ambas teorías a la vez) es un juego que debe jugarse con mucho cuidado. La teoría general de la relatividad de Einstein ya se ha probado exhaustivamente, y sus predicciones se han cumplido cada vez. Al modificar la gravedad, está cambiando esta teoría, por lo que debe hacerse para no contradecir todas las observaciones y mediciones ya realizadas. Como resultado, muchas de las variaciones de los cambios entraron en un área aún no muy bien probada: una que permite que cambie la velocidad de propagación de la gravedad. En la teoría de Einstein, la velocidad de la gravedad es igual a la luz, siempre y con precisión. Pero muchas teorías alternativas cambian esta suposición.


La proyección a gran escala en la simulación del proyecto Illustris con un desplazamiento de z = 0, centrada en el grupo más masivo a una profundidad de 15 Mpc / h [h es el parámetro Hubble adimensional / aprox. transl.]. Demuestra la transición de la densidad de la materia oscura (izquierda) a la densidad del gas (derecha). La configuración de las estructuras a gran escala del Universo no puede explicarse sin materia oscura, aunque se están realizando intentos de modificar la gravedad.

En general, se cree que la energía oscura es una constante cosmológica, y que la velocidad de la luz y la gravedad también son constantes (e iguales entre sí). Las formulaciones alternativas agregan algo más complejo: un campo escalar o un conjunto de campos adicionales. Este es el lugar común de los modelos de modificación, como la covariante galileana , la gravedad masiva, la gravedad con un gravitón masivo , la teoría del éter de Einstein , la gravedad tensor-vector-escalar , la gravedad de Khorava . En muchos casos, dependiendo de cómo interactúa el campo escalar con el campo gravitacional (tensor) estándar de la Teoría general de la relatividad, la velocidad de la gravedad es diferente de la velocidad de la luz o cambia en el tiempo. Pero el hecho de que los rayos gamma y las ondas gravitacionales del evento GW170817 de la fusión de la estrella de neutrones vinieron con una diferencia de 1.7 s significa que la velocidad de la gravedad debería ser igual a la velocidad de la luz con un error de no más de ^10-15 .


Todas las partículas sin masa viajan a la velocidad de la luz, incluidos los fotones, gluones y ondas gravitacionales, y transportan interacciones electromagnéticas, nucleares y gravitacionales fuertes, respectivamente. La coincidencia práctica del tiempo de llegada de las ondas gravitacionales y electromagnéticas de GW170817 es extremadamente importante.

Como resultado , se refutó una gran cantidad de alternativas al GTR estándar con energía oscura estándar. El hecho de que la diferencia de 1.7 s entre una luz y una señal gravitacional a una distancia de 130 millones de años luz es tan pequeña significa que la velocidad de la gravedad no puede cambiar con el tiempo, o ser sistemáticamente mayor o menor que la velocidad de la luz. Al agregar un campo escalar a la teoría de la gravedad tensorial, obtienes dos efectos principales:

• Aparece un término tensorial de velocidad adicional, que aumenta la velocidad de propagación de las ondas gravitacionales.
• La escala de masa efectiva de Planck cambia en los mashabs del espacio-tiempo, lo que cambia la atenuación de las ondas gravitacionales durante la expansión del Universo.

El hecho de que la velocidad de la luz y la velocidad de la gravedad sean iguales con tal precisión indica que todas las teorías con modificaciones de este tipo están seriamente limitadas, y que la mayoría de estos modelos son, de hecho, refutados.


Muchas modificaciones de la gravedad que rechazan la energía oscura han sido refutadas por el tiempo de llegada de las ondas gravitacionales y electromagnéticas.

En el caso de la materia oscura, los intentos de crear gravedad modificada fueron aún peores . La mayoría de las modificaciones cambian la ley de interacción de los objetos masivos, lo que cambia el potencial gravitacional en las regiones de espacio-tiempo que contienen masa. Cuando los objetos que se mueven a la velocidad de la luz, como los fotones u ondas gravitacionales, pasan a través de este espacio, estas señales se ralentizan de acuerdo con las reglas de la relatividad general: el efecto Shapiro . A una distancia de 130 millones de años luz, la materia que se interpone en el camino debería retrasar esta señal durante unos tres años, si la idea estándar de la materia oscura es cierta. Pero si cambia la gravedad para deshacerse de la materia oscura, cambiará seriamente las propiedades de la propagación de las ondas gravitacionales a través del espacio.


Cuando la luz, las ondas gravitacionales o cualquier partícula sin masa pasa a través de un área del espacio que contiene una gran cantidad de materia, el camino se curva debido a la distorsión de este espacio, lo que conduce a un retraso en el tiempo de llegada. En la mayoría de las teorías de la gravedad modificada, los retrasos para la luz y las ondas gravitacionales serán diferentes.

Las teorías de la gravedad modificadas sin materia oscura, como TeVeS o MoG / Scalar-Tensor-Vector , tienen una peculiaridad: las ondas gravitacionales en ellas se propagan a lo largo de curvas geodésicas, diferentes caminos en el espacio-tiempo, diferentes de los seguidos por fotones y neutrinos. En resumen, las ondas gravitacionales deben viajar a lo largo de caminos determinados solo por la materia normal, y los fotones y neutrinos deben viajar a lo largo de caminos determinados por la masa efectiva: materia normal en combinación con efectos que emulan la materia oscura. Tal diferencia conduciría a una diferencia en el tiempo de llegada de fotones y ondas gravitacionales de aproximadamente 800 días, en lugar de 1.7 segundos observados en la realidad.

Dada la correlación cruzada de las ondas gravitacionales y las señales electromagnéticas, estas opciones se niegan sin materia oscura.


Varias fuentes de masa en NGC 4993, donde se fusionaron las estrellas de neutrones, y su influencia en el retraso en el paso de la luz y las ondas gravitacionales

Cuando las ondas gravitacionales y los fotones (ondas electromagnéticas) se propagan en el espacio, la curvatura y expansión del espacio los afecta exactamente de la misma manera. Es decir, mientras usa GR. Si cambia la teoría de la gravedad, por ejemplo, para tratar de eliminar la materia oscura y / o la energía oscura, entonces solo la materia y su masa influirán en las ondas gravitacionales, y los efectos de la modificación afectarán a los fotones y otras partículas. Dado que las ondas gravitacionales y las señales de luz de las estrellas de neutrones fusionadas llegaron simultáneamente, se movieron a través del espacio a la misma velocidad y experimentaron la misma desaceleración. La precisión precisa es suficiente para excluir a los principales candidatos para una teoría de la gravedad modificada sin materia oscura.


Los mapas de radiación de rayos X (rosa) y materia total (azul) de varios cúmulos galácticos en colisión muestran una clara separación entre la materia normal y los efectos gravitacionales, una de las pruebas más convincentes de la existencia de materia oscura. Las teorías alternativas ahora tienen que ser tan atraídas que muchos las encuentran simplemente ridículas.

Todavía hay varios modelos tensos que retienen las esperanzas de la gravedad modificada, por ejemplo, teorías de gravedad no locales (en las que los efectos gravitacionales y la disposición de masas no coinciden), o teorías en las que las ondas gravitacionales y las ondas electromagnéticas obedecen a reglas diferentes. Pero incluso estas ideas están seriamente limitadas por las nuevas observaciones de ondas gravitacionales, y necesitan parecerse cada vez más a los efectos de la materia oscura y la energía oscura para sobrevivir. La gravedad modificada aún no se ha hundido en el olvido, pero muchas de sus mayores esperanzas se han roto. Einstein, con su teoría en su forma original, sin cambios, aún vive.