Los astrónomos saben que las galaxias de todo el universo se están portando mal. Algunos giran muy rápido, mientras que otros están muy calientes y otros se amontonan en las superestructuras muy rápidamente.
Pero no saben por qué. Tal vez alguna nueva partícula oculta, como materia oscura, podría explicar la extrañeza. O tal vez gravedad está actuando sobre estos cúmulos de estrellas de una manera que los científicos no esperaban.
Durante décadas, los astrónomos han debatido las posibilidades. Si bien la mayoría de los astrónomos creen que existe materia oscura, algunos todavía piensan que necesitamos modificar nuestra teoría de la gravedad. Sin embargo, una nueva investigación ha encontrado un defecto crítico en las teorías de la gravedad modificada: permiten que ocurran efectos sin causa y que la información viaje más rápido que la velocidad de la luz. Esto es malo … para la gravedad modificada.
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«Puede cambiar esta … área de investigación considerablemente, forzándola en nuevas direcciones», dijo a WordsSideKick.com Mark Hertzberg, investigador jefe y astrofísico de la Universidad de Tufts.
Frío, pero no demasiado frío
Algo gracioso está sucediendo en el universo. Por ejemplo, según lo que predicen los científicos basándose en las masas de las galaxias, las estrellas orbitan alrededor de sus centros muy rápidamente; la temperatura del gas dentro de los cúmulos de galaxias es muy alta; y grandes estructuras aparecieron en nuestro universo muy temprano.
A escalas galácticas y cosmológicas, o la comprensión de los astrónomos de la fuerza de la gravedad es totalmente errónea, o hay un nuevo ingrediente en nuestro universo que ejerce la gravedad, pero que por lo demás es invisible. Esta última idea se conoce como materia oscura fría (CDM), que es el nombre que se le da a una forma hipotética de materia aún desconocida para la física. El «frío» está ahí para notar que cualquier partícula exótica que pueda ser responsable de la materia oscura, se mueve con relativa lentitud, en contraste con otros candidatos potenciales a materia oscura como neutrino – un ejemplo de un candidato para partículas calientes de materia oscura.
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«Si uno renuncia a los principios de causalidad y localidad, significa que esencialmente somos incapaces de explicar la estructura del Modelo Estándar de Física de Partículas y Relatividad General».
Mark Hertzberg, Universidad de Tufts
Al llenar las galaxias con una forma de materia que es invisible a la luz, la hipótesis del MDL es extremadamente exitosa para explicar la mayoría de las observaciones de las galaxias y el universo más grande. Es, con mucho, la explicación más comúnmente aceptada de por qué el universo se comporta de esta manera.
Pero la hipótesis del MDL no es perfecta. Sea lo que sea, está fuera del modelo estándar de física de partículas, lo que significa que no tenemos idea de qué es. Además, tiene dificultades para explicar algo llamado la relación de matón Tully-Fisher. La relación observada muestra que la masa total de materia normal, llamada materia bariónica, de una galaxia es proporcional a la cuarta potencia de la velocidad de rotación. Pero los modelos CDM predicen que la relación debe ser con la tercera potencia, prediciendo que las galaxias giran más lentamente a una cierta cantidad de masa de lo que realmente lo hacen.
¿Qué más podría estar pasando?
Todo el mundo
Una alternativa a toda la idea del MDL es una comprensión modificada de la gravedad. Los modelos más simples pertenecen a una clase llamada MOND, para la dinámica newtoniana modificada. Estos modelos reemplazan la física newtoniana (piense en Fuerza = masa x aceleración) con otras relaciones que corresponden a la tasa de rotación observada de las estrellas dentro de las galaxias. Aunque estos modelos eran populares cuando se descubrió la materia oscura por primera vez en las décadas de 1970 y 1980, no tuvieron en cuenta las observaciones de los cúmulos de galaxias y el universo en general; como tal, la mayoría de los científicos casi han rechazado estos modelos.
Pero las deficiencias del CDM para explicar la dinámica galáctica interna proporcionan una oportunidad para la supervivencia de MOND. Si una teoría «MONDiana» desea competir en el escenario galáctico, sin embargo, debe ser compatible con nuestras otras teorías de la física, como la teoría de la relatividad especial y mecánica cuántica. Así que eso es exactamente lo que Hertzberg y su equipo se propusieron hacer. Los resultados del estudio se publicaron en mayo en la base de datos de preimpresión arXiv, por lo que el estudio no fue revisado por pares.
“La única posibilidad de conseguir algo nuevo [within the framework of relativity and quantum mechanics] es agregar nuevos grados de libertad «, dijo Hertzberg a WordsSideKick.com. En otras palabras, para que las teorías de MONDian funcionen con la física conocida, es necesario agregar muchas cosas divertidas a las teorías. Al examinar estas cosas divertidas, Hertzerg y los colaboradores Encontró «algunos problemas teóricos escondidos en estos intentos».
Local y causal
Por ejemplo, Hertzberg y sus colegas examinaron si las teorías MONDian protegen dos principios: localidad y causalidad. La localidad es el concepto de que los objetos están directamente influenciados solo por su entorno; para que un objeto influya en otro, debe transmitir esa influencia a través de algo así como una fuerza que viaja a una velocidad finita. La causalidad es la noción simple de que todos los eventos tienen una causa.
Si una teoría viola la localidad y / o la causalidad, es poco probable que encaje con nuestras teorías de la física, que protegen ambos principios.
«Si uno renuncia a los principios de causalidad y localidad, entonces eso significa que esencialmente somos incapaces de explicar la estructura del Modelo Estándar de Física de Partículas y Relatividad General, ya que estos son algunos de los principios centrales que intervienen en la construcción de estas teorías. en primer lugar «, dijo Hertzberg. «En otras palabras, si la causalidad estuviera severamente rota en la naturaleza, probablemente la hubiéramos visto en varias correcciones de la física de partículas en el laboratorio o en pruebas de gravedad en el espacio».
En otras palabras, ya deberíamos habernos dado cuenta.
Dado que toda la evidencia disponible indica que la localidad y la causalidad se conservan (al menos en escalas macroscópicas), deben ser obedecidas por cualquier nueva teoría de la física. El equipo de físicos puso a prueba las teorías MONDian y descubrió que contienen características que permiten la no localidad y la acausalidad. En otras palabras, si las teorías MONDian son correctas, entonces es posible que los eventos ocurran sin una causa y que los efectos viajen instantáneamente, lo que viola el límite de velocidad de la luz en el universo.
«Una vez que encontramos que las propuestas existentes para teorías radicalmente nuevas sobre materia oscura y tipo MOND tienen alguna forma de austeridad, esto sugiere que pueden no estar incrustadas en la física fundamental, al menos en su forma actual», dijo Hertzberg.
¿El fin de MOND?
De hecho, puede ser posible que la localidad y la causalidad se violen a escalas galácticas, pero eso sería extremadamente difícil de reconciliar con todo lo demás que sabemos sobre física.
En cuanto al futuro de las teorías MONDian, especuló Hertzberg, «motiva los intentos de intentar construir algunas clases de modelos similares que de alguna manera mantengan la causalidad, pero esto parece difícil de lograr. En nuestro artículo, mostramos que una forma generalizada de estos modelos falla en la pruebas de consistencia anteriores «.
Aún así, el paradigma de la «materia oscura fría» tiene dificultades para explicar los detalles de la física galáctica. Pero puede haber razones mucho más mundanas para esto, en lugar de acabar con toda la física conocida. Es muy difícil modelar cómo se forman y evolucionan las galaxias, incluso teniendo en cuenta todos los procesos confusos en los que la materia normal juega un papel. Quizás una comprensión más sofisticada de las galaxias proporcione una explicación de la relación bariónica observada de Tully-Fisher.
Y el MDL es, con mucho, la mejor explicación que tenemos.
«Lo bueno del MDL es que teóricamente se encuentra en terreno sólido y pasa todas las pruebas de consistencia teóricas anteriores, aunque no es parte del Modelo Estándar de Física de Partículas», dijo Hertzberg. «La razón por la que digo que está en tierra firme es que no hay una razón teórica conocida por la que hay algunas partículas estables y neutrales en el universo que no se adhieren mucho a nosotros. Entonces el MDL se fortalece, porque ahora, como el Idea principal. «
Publicado originalmente en Live Science.
