Simulación de materia oscura. Crédito: Ralf Kaehler / SLAC National Accelerator Laboratory
Desde hace muchos años, los astrónomos y los físicos han estado en conflicto. ¿Es real la misteriosa materia oscura que observamos en las profundidades del Universo, o lo que vemos es el resultado de sutiles desviaciones de las leyes de la gravedad tal como las conocemos?
En 2016, el físico holandés Erik Verlinde propuso una teoría del segundo tipo: la gravedad emergente. Una nueva investigación, publicada en Astronomy & Astrophysics , empuja los límites de las observaciones de materia oscura a las regiones externas desconocidas de las galaxias y, al hacerlo, reevalúa varios modelos de materia oscura y teorías alternativas de la gravedad. Las mediciones de la gravedad de 259.000 galaxias aisladas muestran una relación muy estrecha entre las contribuciones de la materia oscura y las de la materia ordinaria, como se predice en la teoría de la gravedad emergente de Verlinde y un modelo alternativo llamado Dinámica Newtoniana Modificada. Sin embargo, los resultados también parecen estar de acuerdo con una simulación por computadora del Universo que asume que la materia oscura es «material real».
La nueva investigación fue realizada por un equipo internacional de astrónomos, dirigido por Margot Brouwer (RUG y UvA). Kyle Oman (RUG y Universidad de Durham) y Edwin Valentijn (RUG) desempeñaron otros papeles importantes. En 2016, Brouwer también realizó una primera prueba de las ideas de Verlinde; esta vez, el propio Verlinde también se unió al equipo de investigación.
¿Materia o gravedad?
Hasta ahora, la materia oscura nunca se ha observado directamente, de ahí el nombre. Lo que los astrónomos observan en el cielo nocturno son las consecuencias de la materia que está potencialmente presente: la curvatura de la luz de las estrellas, estrellas que se mueven más rápido de lo esperado e incluso efectos sobre el movimiento de galaxias enteras. Sin duda, todos estos efectos son causados por la gravedad, pero la pregunta es: ¿estamos realmente observando una gravedad adicional, causada por materia invisible, o son las leyes de la gravedad en sí mismas lo que aún no hemos entendido completamente?
En el centro de la imagen, la galaxia elíptica NGC5982 y, a la derecha, la galaxia espiral NGC5985. Estos dos tipos de galaxias resultan comportarse de manera muy diferente cuando se trata de la gravedad adicional, y por lo tanto, posiblemente de la materia oscura, en sus regiones exteriores. Crédito: Bart Delsaert (www.delsaert.com)
Para responder a esta pregunta, la nueva investigación utiliza un método similar al utilizado en la prueba original en 2016. Brouwer y sus colegas hacen uso de una serie continua de mediciones fotográficas que comenzaron hace diez años: la Encuesta KiloDegree (KiDS), realizada utilizando el telescopio de exploración VLT de ESO en Chile. En estas observaciones, se mide cómo la luz de las estrellas de galaxias lejanas es desviada por la gravedad en su camino hacia nuestros telescopios. Mientras que en 2016 las mediciones de tales ‘efectos de lente’ solo cubrían un área de aproximadamente 180 grados cuadrados en el cielo nocturno, mientras tanto, esto se ha extendido a aproximadamente 1000 grados cuadrados, lo que permite a los investigadores medir la distribución de la gravedad en alrededor de un millones de galaxias diferentes.
Pruebas comparativas
Brouwer y sus colegas seleccionaron más de 259,000 galaxias aisladas, para las cuales pudieron medir la llamada ‘Relación de Aceleración Radial’ (RAR). Este RAR compara la cantidad de gravedad esperada basada en la materia visible en la galaxia, con la cantidad de gravedad que está realmente presente; en otras palabras: el resultado muestra cuánta gravedad ‘extra’ hay, además de la debida a la normalidad. importar. Hasta ahora, la cantidad de gravedad adicional solo se había determinado en las regiones exteriores de las galaxias observando los movimientos de las estrellas, y en una región unas cinco veces más grande midiendo la velocidad de rotación del gas frío. Utilizando los efectos de lente de la gravedad, los investigadores ahora pudieron determinar el RAR a fuerzas gravitacionales que eran cien veces más pequeñas, lo que les permitió penetrar mucho más profundamente en las regiones más alejadas de las galaxias individuales.
Esto hizo posible medir la gravedad adicional de manera extremadamente precisa, pero ¿es esta gravedad el resultado de la materia oscura invisible o necesitamos mejorar nuestra comprensión de la gravedad misma?
El autor Kyle Oman indica que la suposición de ‘cosas reales’ al menos parcialmente parece funcionar: “En nuestra investigación, comparamos las mediciones con cuatro modelos teóricos diferentes: dos que asumen la existencia de materia oscura y forman la base de simulaciones por computadora de nuestro universo, y dos que modifican las leyes de la gravedad: el modelo de gravedad emergente de Erik Verlinde y la llamada «dinámica newtoniana modificada» o MOND.
“Una de las dos simulaciones de materia oscura, MICE, hace predicciones que coinciden muy bien con nuestras mediciones. Nos sorprendió que la otra simulación, BAHAMAS, condujera a predicciones muy diferentes. Que las predicciones de los dos modelos difieran en absoluto ya era sorprendente, ya que los modelos son muy similares. Pero además, hubiéramos esperado que si aparecía una diferencia, BAHAMAS iba a tener un mejor desempeño. BAHAMAS es un modelo mucho más detallado que MICE, acercándose a nuestra comprensión actual de cómo se forman las galaxias en un universo con materia oscura mucho más cercana. Aún así, MICE funciona mejor si comparamos sus predicciones con nuestras mediciones. En el futuro, basándonos en nuestros hallazgos, queremos investigar más a fondo las causas de las diferencias entre las simulaciones «.
Galaxias jóvenes y viejas
Por lo tanto, parece que al menos un modelo de materia oscura parece funcionar. Sin embargo, los modelos alternativos de gravedad también predicen el RAR medido. Parece un punto muerto, entonces, ¿cómo averiguamos qué modelo es el correcto? Margot Brouwer, quien dirigió el equipo de investigación, continúa: “Basándonos en nuestras pruebas, nuestra conclusión original fue que los dos modelos alternativos de gravedad y MICE coincidían razonablemente bien con las observaciones. Sin embargo, la parte más emocionante aún estaba por llegar: debido a que teníamos acceso a más de 259,000 galaxias, podíamos dividirlas en varios tipos: galaxias espirales azules relativamente jóvenes versus galaxias elípticas rojas relativamente viejas ”.
Esos dos tipos de galaxias surgen de formas muy diferentes: las galaxias elípticas rojas se forman cuando interactúan diferentes galaxias, por ejemplo, cuando dos galaxias espirales azules pasan una junto a la otra de cerca, o incluso chocan. Como resultado, la expectativa dentro de la teoría de partículas de materia oscura es que la proporción entre materia regular y oscura en los diferentes tipos de galaxias puede variar. Los modelos como la teoría de Verlinde y MOND, por otro lado, no utilizan partículas de materia oscura y, por lo tanto, predicen una relación fija entre la gravedad esperada y la medida en los dos tipos de galaxias, es decir, independientemente de su tipo. Brouwer: “Descubrimos que las RAR para los dos tipos de galaxias diferían significativamente. Eso sería un fuerte indicio de la existencia de materia oscura como partícula «.
Un gráfico que muestra la relación de aceleración radial (RAR). El fondo es una imagen de la galaxia elíptica M87, que muestra la distancia al centro de la galaxia. El gráfico muestra cómo las mediciones van desde una alta aceleración gravitacional en el centro de la galaxia hasta una baja aceleración gravitacional en las regiones más externas. Crédito: Chris Mihos (Universidad Case Western Reserve) / ESO
Sin embargo, hay una salvedad: gas. Es probable que muchas galaxias estén rodeadas por una nube difusa de gas caliente, que es muy difícil de observar. Si fuera el caso de que casi no hubiera gas alrededor de las jóvenes galaxias espirales azules, pero que las viejas galaxias elípticas rojas viven en una gran nube de gas, de aproximadamente la misma masa que las propias estrellas, entonces eso podría explicar la diferencia en el RAR. entre los dos tipos.
Por lo tanto, para llegar a un juicio final sobre la diferencia medida, también sería necesario medir las cantidades de gas difuso, y esto es exactamente lo que no es posible con los telescopios KiDS. Se han realizado otras mediciones para un pequeño grupo de alrededor de cien galaxias, y estas mediciones de hecho encontraron más gas alrededor de galaxias elípticas, pero aún no está claro cuán representativas son esas mediciones para las 259,000 galaxias que se estudiaron en la investigación actual.
¿Materia oscura para la victoria?
Si resulta que el gas extra no puede explicar la diferencia entre los dos tipos de galaxias, entonces los resultados de las mediciones son más fáciles de entender en términos de partículas de materia oscura que en términos de modelos alternativos de gravedad. Pero incluso entonces, el asunto aún no está resuelto. Si bien las diferencias medidas son difíciles de explicar usando MOND, Erik Verlinde todavía ve una salida para su propio modelo.
Verlinde: “Mi modelo actual solo se aplica a galaxias esféricas, aisladas y estáticas, por lo que no se puede esperar que distinga los diferentes tipos de galaxias. Veo estos resultados como un desafío e inspiración para desarrollar una versión asimétrica y dinámica de mi teoría, en la que las galaxias con una forma e historia diferentes pueden tener una cantidad diferente de ‘materia oscura aparente’ ”.
Por lo tanto, incluso después de las nuevas mediciones, la disputa entre la materia oscura y las teorías de la gravedad alternativa aún no está resuelta. Aún así, los nuevos resultados son un gran paso adelante: si la diferencia de gravedad medida entre los dos tipos de galaxias es correcta, entonces el modelo final, cualquiera que sea, tendrá que ser lo suficientemente preciso para explicar esta diferencia. Esto significa, en particular, que se pueden descartar muchos modelos existentes, lo que reduce considerablemente el panorama de posibles explicaciones. Además de eso, la nueva investigación muestra que son necesarias mediciones sistemáticas del gas caliente alrededor de las galaxias.
Edwin Valentijn lo formula de la siguiente manera: “Como astrónomos observacionales, hemos llegado al punto en que podemos medir la gravedad adicional alrededor de las galaxias con mayor precisión de lo que podemos medir la cantidad de materia visible. La conclusión contradictoria es que primero debemos medir la presencia de materia ordinaria en forma de gas caliente alrededor de las galaxias, antes de que futuros telescopios como Euclides puedan finalmente resolver el misterio de la materia oscura ”.
Referencia: «La relación de aceleración radial de lente débil: Restringir la gravedad modificada y las teorías de materia oscura fría con KiDS-1000» por Margot M. Brouwer, Kyle A. Oman, Edwin A. Valentijn, Maciej Bilicki, Catherine Heymans, Henk Hoekstra, Nicola R . Napolitano, Nivya Roy, Crescenzo Tortora, Angus H. Wright, Marika Asgari, Jan Luca van den Busch, Andrej Dvornik, Thomas Erben, Benjamin Giblin, Alister W. Graham, Hendrik Hildebrandt, Andrew M. Hopkins, Arun Kannawadi, Konrad Kuijken , Jochen Liske, HuanYuan Shan, Tilman Tröster, Erik Verlinde y Manus Visser, 22 de junio de 2021, Astronomía y astrofísica .
