MOND, en busca del cóctel cósmico

T.E.L: 5 min.

¿Y si se pudieran explicar los fenómenos cosmológicos sin materia oscura? Las teorías MOND hacen su apuesta.

Las hipótesis de materia oscura surgieron por discrepancias entre la observación de galaxias y cúmulos respecto de la teoría de Newton.

Sin embargo, otra forma de explicar esas diferencias es cambiar la teoría vigente. El acrónimo MOND significa Dinámica de Newton Modificada, aunque también refiere a Milgromian Dynamics, una teoría no lineal de gravedad propuesta por Mordehai (Moti) Milgrom en la década de 1980.

Las diferentes teorías MOND no fueron tomadas muy en serio, hasta ahora, ya que no parecían suficientes para explicar las observaciones en diferentes escalas.

Recientemente en Astrobites, se divulgó un nuevo trabajo sobre curvas de rotación de galaxias que va en sintonía con trabajos previos y que parecen explicar algunas de las diferencias observaciones a través de las teorías MOND.

Este estudio muestra que las galaxias que experimentan un campo externo más fuerte tienen una autogravedad más débil (rotan más lentamente) que galaxias similares en entornos de campo externo más débiles. Como el campo externo es relativamente más importante más lejos de la galaxia, la forma de la curva de rotación también es diferente: disminuye en las afueras con un fuerte campo externo (Figura 1), pero permanece plano con un campo externo débil (Figura 2). La observación de esto representa una detección robusta y estadísticamente significativa del efecto de campo externo en la dinámica interna de las galaxias con disco giratorio. Los resultados del nuevo estudio son más completos y sólidos que cualquier intento anterior.

El resultado indica que la Relatividad General y la gravedad de Newton se "rompen" cuando la gravedad g es más débil que a0, una nueva constante de aceleración fundamental de la naturaleza. Así, las curvas de rotación de galaxias podrían ser explicadas solo con la masa visible. Si gN (gravedad de Newton) es mucho más débil que a0, luego g=raíz(a0*gN). La raíz cuadrada causa que la curva de rotación de una galaxia aislada sea plana a larga distancia. Y como consecuencia, implica que la gravedad no es lineal en la distribución de masa.

En la mecánica de Newton, la aceleración de un objeto se puede considerar como la suma de vectores de la aceleración debida a cada fuerza individual actuante. Esto significa que un subsistema se puede desacoplar de un sistema mayor al que pertenece; en otras palabras, la influencia del sistema mayor es irrelevante para la dinámica interna del subsistema. Dado que la ley de Milgrom es no lineal en aceleración, los subsistemas no se pueden desacoplar de su entorno de esa forma. A esto se lo conoce como "External field effect (EFE)", que es un efecto de campo externo.

Por otro lado, puede parecer que las teorías MOND siempre intentan explicar los fenómenos excluyendo toda clase de "materia oscura". Sin embargo, G.W.Angus propuso una teoría MOND cosmológica con materia oscura compuesta de neutrinos estériles, modelo que algunos llaman νHDM.

Este modelo se ha usado para tratar de resolver la tensión de Hubble, es decir, la diferencia de casi 10% entre las medidas de H0, la constante de Hubble.

En un paper de 2012, Famaey & McGaugh dicen (traducción mía):

La principal motivación para estudiar MOND es, por lo tanto, completamente empírica, ya que está impulsada por la fenomenología observada a escalas de galaxias, y no por un deseo estético de deshacerse de la materia oscura (DM).
El corolario es que a priori no es un problema para una teoría diseñada para reproducir los asombrosos éxitos de la fenomenología MOND reemplazar CDM por "campos oscuros" o formas más exóticas de DM, diferentes de la simple DM sin colisiones. Contrariamente a la creencia común de que esto iría en contra del espíritu del paradigma MOND (aunque es cierto que sería más elegante evitar demasiados grados de libertad adicionales). Quizás sea más importante que, si MOND es correcto en el sentido de que la aceleración a0 es una cantidad verdaderamente fundamental, el principio de equivalencia fuerte ya no puede sostenerse, y la invariancia de Lorentz local podría tal vez ser violado espontáneamente también.

LAS ESCALAS APARENTES

Creo conveniente traer un ejemplo de las matemáticas para hacer una reflexión. Hasta ahora, las leyes de Newton parecen imbatibles, aunque a grandes escalas hay que agregar la Relatividad General. Pero que algo parezca, no significa que lo sea.

En matemáticas se conocen los números amigos (amicable numbers), tales que la suma de los divisores propios de uno es igual al otro número y viceversa.

Si un número es amigo de sí mismo, entonces es un número perfecto.

El par de números amigos más pequeño es 220, 284, ya que:

los divisores propios de 220 son 1, 2, 4, 5, 10, 11, 20, 22, 44, 55 y 110, que suman 284; los divisores propios de 284 son 1, 2, 4, 71 y 142, que suman 220.

Los matemáticos descubrieron varios pares de estos números y buscaron alguna regularidad. El matemático James Grime, en su canal de Youtube Singingbanana, lo explica de forma visual:

Aquí vemos pares de números amigos, que parecen ser casi todos pares, excepto algunos que finalizan en 5. La suma de estos números, incluyendo aquellos, es par. Más aún, todos parecen ser múltiplos de 9, excepto la suma de aquellos que son impares.

De modo que podemos postular una conjetura: la suma de dos números amigos pares, es un número múltiplo de 9. Es difícil demostrar una conjetura, por lo que es más fácil buscar un contraejemplo. Y existe:

666.030.256 y 696.630.544 son números amigos, son pares, pero la suma no es múltiplo de 9.

De modo que, hasta cierto valor crítico, la conjetura es correcta y luego deja de serlo. Quizás ocurra lo mismo con la gravedad de Newton.

LOS PARADIGMAS Y LAS COSTUMBRES

Si la cosmología LCDM fuera equivocada, ¿cómo lo sabríamos? El astrofísico Stacy McGaugh, en broma, hizo este algoritmo del pensamiento actual:

Cuando un postulado no se investiga, sino que se acepta o niega ciegamente, entonces se convierte en un mito.

Hasta ahora, el modelo LCDM tenía dos limones en la máquina tragamonedas de la cosmología, pero el tercer limón no llega.

La teoría MOND, en cambio, solo tenía un limón, en sus aciertos a escala galáctica, pero no era una teoría relativística a escala cosmológica.

Y no parece que lograr el segundo limón vaya a cambiar en algo. A no ser que las MOND logren cantar ¡Eureka! o ¡Jackpot! no se van a imponer. Es que no tiene sentido cambiar algo que no funciona por otra cosa que tampoco lo hace.

Quizás, finalmente, haya que mezclar un poco las cosas. ¡Agitado, pero no revuelto!, diría un agente del recontraespionaje astronómico, mientras bebe su cóctel cósmico.☉