, pero no por la razón que la mayoría de los físicos piensan
Comenzó con una explosión
El universo está ahí fuera, esperando que lo descubras
El mapa de lente gravitacional (azul), superpuesto sobre los datos ópticos y de rayos X (rosa) del clúster Bullet. La falta de coincidencia es innegable. Crédito de la imagen: rayos X: NASA / CXC / CfA / M.Markevitch et al.; Mapa de Lente: NASA / STScI; ESO WFI; Magellan / U.Arizona / D.Clowe et al.; Óptico: NASA / STScI; Magellan / U.Arizona / D.Clowe et al.
Por Ethan Siegel, para Forbes Noviembre 9 de 2017
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son exclusivamente suyas.
La imagen de arriba, un compuesto de datos ópticos, datos de rayos X y un mapa de masa reconstruido, es uno de los más famosos e informativos de toda la astronomía. Conocido como el Bullet Cluster, muestra dos cúmulos de galaxias que recientemente han colisionado. Las galaxias individuales presentes dentro de los cúmulos, como dos armas de fuego disparadas entre sí, pasaron directamente una a la otra, ya que las probabilidades de una colisión eran extremadamente bajas. Sin embargo, el gas intergaláctico dentro de cada grupo, en gran parte difuso y que constituye la mayor parte de la materia normal, colisionó y calentó, emitiendo rayos X que podemos ver hoy. Pero cuando usamos nuestro conocimiento de la Relatividad General y la curvatura de la luz de fondo para reconstruir dónde debe estar la masa, la encontramos junto a las galaxias, no con la materia dentro del conglomerado. Por lo tanto, la materia oscura debe existir
De acuerdo con la línea de razonamiento estándar, los conglomerados están compuestos de materia oscura y materia normal en una proporción de 5: 1. Cuando colisionan, la materia normal difusa colisiona, se pega y se calienta, mientras que los grumos (galaxias) y la materia oscura pasan, creando los efectos observados.
Un cúmulo de galaxias fusionadas en MACS J0416.1-2403 exhibe una separación diferente y más pequeña del gas de rayos X de la señal gravitacional, pero esto se espera, ya que este cúmulo se encuentra en una etapa diferente de su fusión, y todavía hay una compensación . Crédito de la imagen: rayos X: NASA / CXC / SAO / G.Ogrean et al.; Óptico: NASA / STScI; Radio: NRAO / AUI / NSF
Pero, como con cualquier gran idea, todas las alternativas deben ser consideradas. Los rayos X no mienten: realmente hay tanta materia entre los dos grupos separados de hoy, por lo que cualquier argumento en sentido contrario debe descartarse. La idea de que hay grupos ultracompactos e invisibles de materia normal dentro de los cúmulos es intrigante, pero un conjunto sistemático de observaciones y análisis indica que no puede ser suficiente para explicar los efectos observados. Y la idea de que esto es exclusivo de este cúmulo en el Universo queda desmentida por la gran cantidad de otros cúmulos en colisión que se han encontrado desde entonces, y se ha observado que exhiben los mismos efectos.
Cuatro cúmulos de galaxias en colisión, que muestran la separación entre los rayos X (rosa) y la gravitación (azul), indicativos de materia oscura. Crédito de la imagen: Rayos X: NASA / CXC / UVic. / A.Mahdavi et al. Óptico / Lente: CFHT / UVic. / A. Mahdavi et al. (arriba a la izquierda); Rayos X: NASA / CXC / UCDavis / W. Dawson et al.; Óptico: NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson et al. (parte superior derecha); ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Milano, Italia) / CFHTLS (abajo a la izquierda); Radiografía: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Universidad de California, Santa Bárbara) y S. Allen (Universidad de Stanford) (abajo a la derecha)
Tal vez, entonces, hay una alternativa intrigante que debemos tener en cuenta: que bajo las condiciones adecuadas, la gravedad exhibe efectos no locales. Esto suena loco, pero es un sello distintivo de muchos procesos físicamente importantes, como el universo cuántico. La idea básica es que los efectos de la gravedad ocurren en diferentes lugares de donde es la mayoría de la materia. Las teorías de la gravedad no local son excelentes para reproducir los éxitos de las ideas de gravedad modificadas, como las curvas de rotación de las galaxias. Mientras que un artículo reciente utilizó restricciones de las ondas gravitacionales y los rayos gamma para descartar algunas variantes de la gravedad modificada en lugares en los que viajan por diferentes caminos, uno de los supervivientes es MOG: una teoría de la gravedad con efectos no locales. (No local significa que sus efectos no están ubicados en su totalidad donde se encuentran las fuentes).
Pero tan convincente como esto es, no puede ser correcto, y solo requiere un experimento mental para entender por qué.
Los grupos y cúmulos de galaxias exhiben efectos gravitacionales sobre la luz y la materia detrás de ellos debido a los efectos de las lentes gravitacionales débiles. Esto nos permite reconstruir sus distribuciones masivas, que deberían estar alineadas con la materia observada. Crédito de la imagen: ESA, NASA, K. Sharon (Universidad de Tel Aviv) y E. Ofek (Caltech)
Imagine lo que se necesitaría para tener dos cúmulos de galaxias, posteriores a la colisión, que exhiban un efecto donde la mayor parte de la materia se encuentra en la región central donde tuvo lugar la colisión, pero donde la mayoría de los efectos gravitacionales se ubican centrados en otra parte. Requeriría que la gravedad y la masa no se alineen juntas. Esto es, de hecho, lo que vemos cuando vemos la materia normal sola en los cúmulos de galaxias: los lugares donde vemos / trazamos el gas y donde reconstruimos la masa, desde la lente gravitacional, no se alinean perfectamente
(a) Distribución proyectada de materia oscura en el campo COSMOS del análisis de Massey et al. (2007a). El mapa azul revela la densidad de la materia oscura como se deduce del patrón de distorsiones débiles vistas en las galaxias de fondo por el Telescopio Espacial Hubble. (b) Mapa equivalente para la materia bariónica revelado por una combinación de la masa estelar en galaxias fotografiadas con el Telescopio Espacial Hubble y el gas caliente fotografiado con el satélite de rayos X XMM-Newton. Crédito de la imagen: R. Ellis, Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 2010 13 de marzo; 368 (1914): 967-987
O la gravedad se comporta de forma no local, o hay una forma invisible de masa: la materia oscura. ¡Pero hay una forma fácil de distinguirlos a estos dos! Simplemente eche un vistazo a los cúmulos de galaxias que no están en proceso de colisión, o observe dos agrupaciones cercanas que se dirigen una hacia la otra, pero que aún no se han fusionado. Si la explicación correcta es la materia oscura, la señal de lente gravitacional debe seguir la distribución de la materia: todo debe ser local. Pero si la respuesta es la gravedad no local, deberían observarse efectos gravitacionales donde no se encuentra la materia.
Afortunadamente, tenemos esa información, y tenemos una respuesta.
Los contornos, arriba, muestran la masa reconstruida del cúmulo de galaxias desde lentes gravitacionales, mientras que los puntos muestran galaxias observadas, codificadas por colores para una variedad de corrimientos al rojo. Donde el cúmulo está inactivo, no hay separación de la materia de la gravitación. Crédito de la imagen: H.S. Hwang y otros, ApJ, 797, 2, 106
Cuando su grupo no se perturba, los efectos gravitacionales se localizan donde se distribuye la materia. Es solo después de una colisión o interacción que vemos lo que parece ser un efecto no local. Esto indica que algo sucede durante el proceso de colisión para separar la materia normal de donde vemos los efectos gravitacionales. Agregar materia oscura hace que esto funcione, pero la gravedad no local haría diferentes predicciones de antes y después que no pueden coincidir, simultáneamente, con lo que observamos.
Curiosamente, este argumento se ha hecho durante más de una década, ahora, sin un contraargumento satisfactorio proveniente de los detractores de la materia oscura. No es el desplazamiento de la gravedad de la materia normal lo que "prueba" que existe materia oscura, sino el hecho de que el desplazamiento solo ocurre en entornos donde la materia oscura y la materia normal se separarían mediante procesos astrofísicos. Este es un tema fundamental que debe abordarse, si las alternativas a la materia oscura deben tomarse en serio como teorías completas, en lugar de ideas en su infancia. Ese tiempo aún no está cerca.
El astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor principal de Starts With A Bang! Sus libros, Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan libros.
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