¡Teorías Modificadas de la Gravedad Podrían Sustituir a la Materia Oscura Antes de lo Esperado!

La comunidad astrofísica lleva más de una década recopilando evidencias observacionales que parecen contradecir el concepto de materia oscura en favor de nuevas teorías de la gravedad. En este artículo resumimos las más importantes, desde 2016 hasta la actualidad.

Por: Dra. Inés Urdaneta, Física de Resonance Science Foundation


Como hemos explicado en artículos anteriores, la materia oscura se dedujo como una fuente gravitatoria adicional que podía explicar las curvas de rotación aplanadas de las galaxias espirales; se descubrió que las galaxias espirales rotan a una velocidad casi constante, independientemente de su radio. A partir de la ley de Newton y la distribución de la materia visible, cabría esperar que la velocidad de rotación de las estrellas y el gas dentro de una galaxia disminuyera con la distancia, pero en los años 70 los astrónomos descubrieron esta anomalía aplanada, y nació la materia oscura.

Sin embargo, muchos equipos han encontrado pruebas astronómicas que apuntan hacia modelos de gravedad modificada. Por ejemplo, en 2016 se halló una nueva relación significativa en galaxias espirales e irregulares, en la que la aceleración observada en las curvas de rotación está fuertemente correlacionada con la aceleración gravitatoria esperada a partir únicamente de la masa visible. En este estudio se utilizó una técnica desarrollada recientemente, denominada fotometría en el infrarrojo cercano, que conecta directamente la luz estelar y la masa estelar, sin parámetros ajustables. La relación masa-luz es el factor de conversión necesario para el estudio [1].

Las galaxias presentan una amplia gama de formas, masas, tamaños y densidades, y en general son elípticas (sustentadas por presión), o de espiral e irregulares (sustentadas por rotación). Los autores del estudio consideraron únicamente los sistemas sustentados por rotación porque su curva de rotación proporciona un marcador directo de la aceleración centrípeta.

La base de datos utilizada procedía del nuevo Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC), la mayor muestra de galaxias hasta la fecha con datos espacialmente resueltos sobre la distribución tanto de estrellas como de gas, así como curvas de rotación para cada galaxia, que contiene una muestra de 175 galaxias de disco que representan todos los tipos morfológicos soportados por la rotación, incluyendo observaciones en el infrarrojo cercano (3,6μm) que trazan la distribución de la masa estelar y observaciones de 21 cm que trazan el gas atómico. Como explican los autores en el artículo [1], los datos de 21 cm también proporcionan campos de velocidad a partir de los cuales se derivan las curvas de rotación.

En la imagen inferior se muestran sus hallazgos, donde se observa la correlación entre la aceleración radial trazada por las curvas de rotación y la predicha por la distribución observada de la masa estándar (masa bariónica), en casi 2700 puntos de 153 galaxias con morfologías, masas, tamaños y fracciones de gas muy diferentes. 

Figura 1 (extraída del preimpreso): La aceleración centrípeta observada en las curvas de rotación, gobs = V^2/R, se compara con la predicha para la distribución observada de bariones, gbar = |∂Φbar/∂R| en el panel superior. Se muestran en escala de grises casi 2.700 puntos de datos individuales de 153 galaxias SPARC. La incertidumbre media de los puntos individuales se ilustra en la esquina inferior izquierda. Los cuadrados grandes muestran la media de los datos agrupados. Las líneas discontinuas muestran la anchura de la cresta medida por el valor eficaz en cada intervalo. La línea de puntos es la línea de unidad. La línea continua es el ajuste de la ec. 4 a los datos no tabulados utilizando un algoritmo de regresión ortogonal-distancia que tiene en cuenta los errores en ambas variables. El recuadro muestra el histograma de todos los residuos y una Gaussiana de anchura σ = 0,11 dex. Los residuos se muestran como una función de gobs en el panel inferior. Las barras de error en los datos agrupados son más pequeñas que el tamaño de los puntos. Las líneas continuas muestran la dispersión esperada de las incertidumbres observacionales y la variación galaxia a galaxia en la relación masa estelar/luz. Esta dispersión extrínseca sigue de cerca la dispersión rms observada (líneas discontinuas): los datos son coherentes con una dispersión intrínseca insignificante.

Esta relación de aceleración radial es completamente empírica y persiste incluso cuando domina la materia oscura, por lo que su contribución está totalmente especificada por la de los bariones. En este estudio no se utilizó ningún modelo de halo particular para la materia oscura, estos son innecesarios. La imagen de arriba muestra también que la dispersión observada es pequeña y se rige en gran medida por las incertidumbres observadas.

En el momento en que se publicaron estos resultados (2016) los autores concluyeron que estas galaxias no requerían materia oscura, y esto no se entendía en ese momento, se necesitaba una explicación.

Entre los modelos alternativos a la materia oscura, MoND (por Modified Newtonian dynamics) es una controvertida alternativa a la relatividad general y su hipótesis de que la dinámica de las galaxias está determinada por los masivos e invisibles halos de materia oscura.

MoND es un ejemplo de una clase de teorías conocidas como gravedad modificada, en las que se modifican las leyes de Newton. Fue publicada en 1983 por el físico israelí Mordehai Milgrom, quien señaló que las discrepancias que se han intentado explicar por la materia oscura, podrían resolverse si la fuerza gravitatoria experimentada por una estrella en las regiones exteriores de una galaxia fuera proporcional al cuadrado de su aceleración centrípeta (en oposición a la propia aceleración centrípeta, como en la segunda ley de Newton) o, alternativamente, si la fuerza gravitatoria llegara a variar inversamente lineal con el radio (en oposición al cuadrado inverso del radio, como en la ley de la gravedad de Newton). En MoND, la violación de las leyes de Newton se produce a aceleraciones extremadamente pequeñas, características de las galaxias muy por debajo de las que se dan típicamente en el Sistema Solar o en la Tierra [2]. Esto significa que la gravedad a bajas aceleraciones sería más fuerte de lo que predice una descripción newtoniana pura.

MoND ha tenido mucho éxito a la hora de predecir las características observadas de las galaxias y de explicar una gran cantidad de datos sobre las velocidades de rotación galáctica utilizando únicamente sus estrellas y gas visibles, aunque se pensó que había quedado desacreditado por un caso publicado en la revista Nature en el que se afirmaba que MoND no podía ser cierto porque los movimientos internos dentro de la galaxia enana NGC1052-DF2, una pequeña galaxia formada por unos 200 millones de estrellas, eran demasiado lentos.

Al parecer, esas afirmaciones fueron prematuras, porque en 2018 una nueva investigación argumentó que el trabajo anterior no tenía en cuenta la influencia del entorno gravitatorio alrededor de la enana, que podría afectar a los movimientos en su interior. Si la galaxia enana estuviera cerca de una galaxia masiva -como es el caso-, entonces los movimientos dentro de la enana serían más lentos [3].

"Nuestro modelado del efecto ambiental MoND fue confirmado posteriormente por otro grupo". Dr. Hongsheng Zhao, Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de St Andrews.

Este tipo de efecto de campo externo o EFE debido a las masas que rodean el sistema gravitatorio, no está predicho ni por la teoría newtoniana, ni por la teoría de la relatividad de Einstein (y por lo tanto, la materia oscura no puede explicarlo). MoND predice que los movimientos internos de un objeto en el cosmos no sólo deberían depender de la masa del propio objeto, sino también de la atracción gravitatoria de todas las demás masas del universo, y esto concuerda bien con las observaciones astronómicas, en particular para las 153 galaxias sometidas posteriormente a la prueba EFE, en 2020.  

La no linealidad de MoND da lugar al llamado EFE, que hace que la autogravedad de un sistema se debilite si el sistema en su conjunto es acelerado uniformemente por un campo externo, incluso en ausencia completa de efectos de marea.

Ese mismo año, un equipo de astrofísicos y astrónomos dirigido por Kyu-Hyun Chae, de la Universidad de Sejong (Corea del Sur), detectó este EFE en 153 galaxias seleccionadas de la base de datos SPARC, y sus hallazgos se publicaron en The Astrophysical Journal [4].

"Al principio, era reacio a interpretar nuestros propios resultados a favor de MoND. Pero ahora no puedo negar el hecho de que los resultados, tal y como están, apoyan claramente a MoND más que a la hipótesis de la materia oscura". Dr. Chae

El grupo analizó 153 curvas de rotación de galaxias de disco como parte de su estudio, y dedujeron el EFE observando que las galaxias en campos externos fuertes ralentizaban o mostraban curvas de rotación decrecientes con más frecuencia que las galaxias en campos externos más débiles, tal y como predecía MoND por sí solo.

"Vengo del mismo lugar que los de la comunidad de la materia oscura. Duele pensar que podríamos estar tan equivocados. Pero Milgrom predijo esto hace más de 30 años con MoND. Ninguna otra teoría anticipó el comportamiento observado". Dr. McGaugh, parte del equipo de investigación.

Un año más tarde, en 2021, un artículo publicado en EPJ C, por Gerson Otto Ludwig, Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales, Brasil [5], sugiere que si se sustituye el marco newtoniano de la gravedad por un modelo basado en la relatividad general, para incluir los efectos del gravitomagnetismo, no es necesario recurrir a la materia oscura.

Cuando un objeto masivo en rotación, como una estrella o un agujero negro, "arrastra" consigo el propio tejido del espaciotiempo -un efecto de la relatividad general no presente en la teoría de la gravedad de Newton, denominado arrastre del marco o efecto Lense Thirring-, se origina un campo gravitomagnético. En su artículo, Ludwig presenta un nuevo modelo para las curvas de rotación de las galaxias y demuestra que, aunque los efectos de los campos gravitomagnéticos son débiles, su factorización en los modelos borra la diferencia entre las teorías de la gravedad y las curvas de rotación observadas, eliminando la necesidad de la materia oscura.

Como dice el abstracto de su artículo [5]:

"La curva de rotación medida de las galaxias proporcionó un gran apoyo experimental al concepto de materia oscura. Sin embargo, la mayoría de las teorías utilizadas para explicar la curva de rotación se han restringido al marco potencial newtoniano, sin tener en cuenta las correcciones relativistas generales asociadas a las corrientes de masa. En este trabajo se demuestra que el campo gravitomagnético producido por las corrientes modifica la curva de rotación galáctica, sobre todo a grandes distancias. El acoplamiento entre el potencial newtoniano y la función de flujo gravitomagnético da lugar a una ecuación diferencial no lineal que relaciona la velocidad de rotación con la densidad de masa. La solución de esta ecuación reproduce la curva de rotación galáctica sin recurrir a componentes oscuros de la materia oscura, como ejemplifican tres casos característicos. Se desarrolla un modelo bidimensional que permite estimar la masa total, la densidad de masa central y la forma general de las galaxias, ajustándose al mismo tiempo a las curvas de luminosidad y rotación medidas. Los efectos atribuidos a la materia oscura pueden explicarse sencillamente por el campo gravitomagnético producido por las corrientes de masa".

Como señala Ludwig, las fuerzas gravitomagnéticas sustituyen a los efectos de la materia oscura. Como enumera en su artículo, el campo gravitomagnético producido por las corrientes desempeña cuatro papeles importantes en la solución autoconsistente [5]:

(1) la fuerza de Lorentz asociada al campo gravitomagnético equilibra la fuerza de atracción newtoniana en la dirección perpendicular al plano ecuatorial en un equilibrio sin presión;

(2) el campo gravitomagnético afecta a la vorticidad del flujo en un movimiento irrotacional en un fluido no viscoso;

(3) el acoplamiento no lineal entre los campos gravitomagnético y newtoniano proporciona el mecanismo para la transición entre el flujo de rotación rígida cerca del origen y el flujo de velocidad constante cerca del borde;

(4) a grandes distancias, la fuerza de Lorentz gravitomagnética casi constante, sumada a la fuerza centrífuga decreciente, equilibra la atracción gravitatoria igualmente decreciente.

 

Más tarde, en 2022, un estudio sobre la velocidad de rotación del gas en la galaxia enana AGC 114905 [6] volvió a poner en jaque la teoría de MoND, ya que el estudio descubrió que el gas rotaba muy despacio respecto a lo predicho por MoND. Sin embargo, una velocidad tan lenta contradecía la esperada en un universo regido por la Relatividad General con grandes cantidades de materia oscura, por lo que también se pusieron en duda las observaciones astronómicas.

El misterio ha sido aparentemente resuelto al realizar simulaciones hidrodinámicas MoND, de una galaxia de disco rica en gas con una distribución de masas similar a AGC 114905, primero de forma aislada y luego incluyendo el EFE.

"Nuestras simulaciones muestran que la inclinación de AGC 114905 podría ser significativamente menor de lo reportado, lo que significaría que la galaxia en realidad está rotando mucho más rápido de lo que la gente piensa, en línea con las expectativas de MoND". -Dr. Banik, autor principal.

Esto significa que la galaxia podría estar mucho más cerca de la cara de lo que pensaban los observadores y, por lo tanto, la galaxia está girando mucho más rápido de lo que se informó, eliminando la tensión con MoND. El grupo del Dr. Banik predijo que la alta velocidad de rotación en la teoría de la gravedad de MoND es consistente con las observaciones si se sobreestima la inclinación de la galaxia, y este parece ser el caso aquí [7].

Un segundo artículo de Banik de 2022 [8], en el que el autor muestra los numerosos fallos del modelo cosmológico estándar cuando se compara con MoND, revisa la teoría MoND que a menudo es capaz de explicar de forma natural las observaciones. Su revisión puede considerarse crítica para mostrar por qué MoND aventaja al modelo cosmológico estándar, llegando a la conclusión de que las galaxias realmente carecen de materia oscura.

Como dice el abstracto de su reseña[8]:

"Este problema de gravedad faltante puede indicar una ruptura de la RG a bajas aceleraciones, como postula la dinámica Milgromiana (MoND). Revisamos la teoría MoND y sus consecuencias, incluso en un contexto cosmológico en el que abogamos por un enfoque híbrido que incluya neutrinos ligeros estériles para abordar los problemas a escala de cúmulo de MoND. A continuación, ponemos a prueba las nuevas predicciones de MoND utilizando pruebas de galaxias, grupos de galaxias, cúmulos de galaxias y la estructura a gran escala del universo. También nos planteamos si el paradigma cosmológico estándar (ΛCDM) puede explicar las observaciones y revisamos varias falsaciones muy significativas del mismo publicadas anteriormente. Nuestra evaluación general tiene en cuenta tanto el grado en que los datos concuerdan con cada teoría como el grado de flexibilidad de cada una a la hora de acomodarse a los datos, siendo el patrón oro una predicción clara a priori no informada por los datos en cuestión. Nuestra conclusión es que MoND se ve favorecido por una gran cantidad de datos a lo largo de una enorme gama de escalas astrofísicas, que van desde las escalas de kpc de las barras galácticas hasta la escala de Gpc del supervacío local y la tensión de Hubble, que se alivia en MoND mediante una varianza cósmica mejorada. También consideramos varias pruebas futuras, la mayoría a escalas mucho más pequeñas que las galaxias."

Por último, nos gustaría abordar este último estudio de la rotación galáctica que apoya una generalización del modelo MoND, denominada AQUAL, que pretende hacer un modelado más realista de los trabajos anteriores de Chae que utilizaban un modelo MoND esférico analítico en el que los campos externos inferidos a partir de la dinámica interna basada en un modelo tan simple coincidían con los esperados de los entornos cósmicos.

Para ello, en este segundo trabajo de Chae [9], se separaron las partes internas y externas de las curvas rotacionales y se utilizaron soluciones numéricas de gravedad modificada, incluyendo el efecto EFE. Una diferencia principal entre AQUAL y el modelo estándar de materia fría, abreviado ΛCDM (o LCMD), es que las velocidades de rotación de las estrellas de órbita interna frente a las de órbita externa deberían estar ambas regidas por la distribución de la materia, por lo que la curva debería ser suave. Mientras tanto, la dinámica autogravitatoria no lineal de la teoría AQUAL predice un pequeño pliegue en la curva. Aunque es demasiado pequeño para ser medido en una sola galaxia, debería haber un pequeño desplazamiento entre las distribuciones de velocidad interior y exterior cuando se mide en una gran muestra de galaxias. 

Al analizar las curvas de velocidad de alta resolución de 152 galaxias observadas en la base de datos Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC), el autor de este estudio encontró un cambio de acuerdo con AQUAL respecto a la cosmología estándar de materia oscura, cuando se incluyen los efectos EFE[9].

Figura 2 (tomada de [9]): Comparación de los resultados de dos modelos de halo de materia oscura (DM) con los datos SPARC. (A) El panel de la izquierda muestra los datos SPARC de 3097 puntos de 152 galaxias con relaciones masa-luz Υdisco = 0.5Υ para el disco y Υbulbo = 0.7Υ para el bulbo. Las incertidumbres típicas del logaritmo de las aceleraciones se indican mediante barras de error en la parte inferior del panel. El recuadro define el residuo ortogonal ∆⊥de la relación algebraica MoND, es decir, la función interpoladora, para a0 = 1,199×10-10ms-2 ajustada a las curvas de rotación exteriores. (B) Este panel muestra la tendencia de las medianas de los residuos ortogonales en los intervalos ortogonales. Los modelos de halo DM se desvían sistemáticamente de los datos SPARC, en contraste con el modelo AQUAL[9]. Las líneas discontinuas son los resultados para una submuestra de 111 galaxias sin bulbo.

 

Figura 3 (tomada de [9]): Las partes interiores y exteriores de las curvas de rotación en el plano de aceleración. (A) Cada curva de rotación SPARC mostrada en la Figura 2(a) se separa en las partes interior ascendente y exterior cuasiplana. Los datos de las dos partes se muestran por separado y se comparan con los resultados simulados por AQUAL para las mismas galaxias. Cada panel tiene el mismo formato que la Figura 2(a). La curva y la banda discontinuas indican el ajuste Bayesiano de la Ecuación (6) a los puntos de datos SPARC de la parte interior o exterior. (B) Los histogramas muestran los residuos ortogonales de la relación algebraica MOND (línea roja) para los puntos de datos exteriores (panel superior) e interiores (panel inferior). Los histogramas se ajustan con un modelo Gaussiano y se indican la media ajustada μ (con un error bootstrap) y la desviación típica σ. (C) Las líneas continuas y discontinuas muestran la tendencia de los residuos ortogonales en intervalos ortogonales para las partes externa e interna, respectivamente. Las líneas negras gruesas representan los datos SPARC, mientras que las líneas magenta representan los resultados simulados por AQUAL. Las líneas verdes representan los resultados ajustados MCMC para una submuestra de 65 galaxias [9] de un buen rango dinámico que son relativamente más masivas y grandes. Las líneas naranjas representan los resultados DC14 para 111 galaxias sin bulbo con L < 1011L , que es el caso CDM más favorable mostrado en la Figura 2.

Como se concluye de su estudio de los análisis Bayesianos de ΛCDM y MoND y de las simulaciones numéricas de AQUAL de las partes internas y externas de las 152 curvas rotacionales (CR) de SPARC, el modelo de gravedad modificado de AQUAL predice correctamente tanto las partes internas como externas de las CR, mientras que los modelos actuales de halo de ΛCDM tienden a desviarse fuera del rango permitido por la incertidumbre sistemática de las relaciones masa-luz estelares (véanse las figuras 2 y 3).

Además, la actual base de datos SPARC descarta con una significación de 7σ la hipótesis de que las partes interior y exterior sigan una curva universal en el plano de aceleración. Esto contradiría las propuestas actuales de inercia modificada. Por tanto, se mantiene la interpretación EFE de las curvas de rotación galáctica y es probable que su origen sea la gravedad modificada y no la inercia modificada.

 

RSF en perspectiva-

La existencia de energía y materia oscuras se dedujo para que las ecuaciones de campo de Einstein pudieran predecir correctamente la expansión del universo y la velocidad de rotación de las galaxias. Según este punto de vista, la energía oscura es la fuente de una fuerza expansiva en el Universo (es lo que explica la constante de Hubble en las principales teorías), mientras que la materia oscura proporciona una fuente adicional de gravedad necesaria para estabilizar las galaxias y los cúmulos de galaxias, ya que no hay suficiente masa ordinaria para mantenerlos unidos dada la expansión acelerada del Universo. Esta gravedad adicional explicaría también la velocidad de rotación de las galaxias.

Las partículas de materia oscura nunca se han descubierto, a pesar de muchas décadas de investigación exhaustiva, a menudo utilizando grandes detectores. Mientras tanto, como se aborda en este artículo, las teorías modificadas de la gravedad están obteniendo resultados muy prometedores, y todas ellas carecen de materia oscura.

Tal es el caso del modelo holográfico generalizado desarrollado por Nassim Haramein para resolver el problema de la catástrofe del vacío -la diferencia de 122 órdenes de magnitud entre la densidad de energía a escala cuántica y a escala astronómica-, donde la materia y la energía oscuras se explican por el vacío cuántico y su dinámica, en términos de la organización de las fluctuaciones del vacío representadas como unidades esféricas de Planck (PSUs), y una tasa de transferencia de información de superficie a volumen que escala desde la escala de Planck a la escala universal [10], creando un flujo de información y una frontera (condiciones de contorno) que afecta a todas las estructuras del universo.

Su trabajo [11,12] se completará con el estudio que se publicará próximamente, titulado Invariant unification of forces, fields and particles, in the quantum vacuum plasma [13] (Invarianza bajo escalas en la unificación de fuerzas, campos y partículas en el plasma del vacío cuántico) que muestra la distribución de la relación masa-radio de las masas estelares, galaxias, cúmulos y todos los objetos astronómicos. La ley de escala demostrará claramente que no hay necesidad de masa oscura y energía oscura... estas no son reales.


 

Referencias

[1] Stacy S. McGaugh and Federico Lelli,  The radial acceleration relation in rotationally supported galaxies Phys. Rev. Lett. 117, 201101 (2016) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.201101

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Modified_Newtonian_dynamics

[3] Kroupa, P., Haghi, H., Javanmardi, B. et al. Does the galaxy NGC1052–DF2 falsify Milgromian dynamics?. Nature 561, E4–E5 (2018). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0429-z

[4] Kyu-Hyun Chae et al, Testing the Strong Equivalence Principle: Detection of the External Field Effect in Rotationally Supported Galaxies, The Astrophysical Journal (2020). DOI: 10.3847/1538-4357/abbb96

[5] G. O. Ludwig, Galactic rotation curve and dark matter according to gravitomagnetism, The European Physical Journal C (2021). DOI: 10.1140/epjc/s10052-021-08967-3

[6] Pavel E Mancera Piña et al, No need for dark matter: resolved kinematics of the ultra-diffuse galaxy AGC 114905, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2021). DOI: 10.1093/mnras/stab3491

[7] Indranil Banik et al, Overestimated inclinations of Milgromian disc galaxies: the case of the ultradiffuse galaxy AGC 114905, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2022). DOI: 10.1093/mnras/stac1073.  

[8] Indranil Banik et al, From Galactic Bars to the Hubble Tension: Weighing Up the Astrophysical Evidence for Milgromian Gravity, Symmetry (2022). DOI: 10.3390/sym14071331

[9] Kyu-Hyun Chae, Distinguishing Dark Matter, Modified Gravity, and Modified Inertia with the Inner and Outer Parts of Galactic Rotation Curves, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2207.11069

[10] Haramein, N. and Val Baker, A. (2019) Resolving the Vacuum Catastrophe: A Generalized Holographic Approach. Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, 5, 412-424. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2019.52023

[11] Haramein, N. (2012). Quantum Gravity and the Holographic Mass, Physical Review & Research International, ISSN: 2231-1815, Page 270-292 

[12] Val baker, A.K.F, Haramein, N. and Alirol, O. (2019). The Electron and the Holographic Mass Solution, Physics Essays, Vol 32, Pages 255-262.

[13] Scale invariant unification of forces, fields and particles in a Planck vacuum plasma,

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