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sábado, 26 de noviembre de 2016

El dogma de la materia oscura, ¿ha desencaminado la búsqueda científica?

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Según la mayoría de investigadores, la gran mayoría de materia en el Universo es invisible: consiste en partículas de materia oscura que no interactúan con la radiación y no pueden ser vistas a través de ningún telescopio. El caso de la materia oscura es considerado tan abrumador que su existencia es a menudo reportada como un hecho. Últimamente, sin embargo, las grietas de la duda han comenzado a aparecer.

Una imagen compuesta de Hubble mostrando el supuesto anillo de 'materia oscura' en el cúmulo de galaxias Cl 0024+17. Cortesía de la NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University).

En julio, el experimento LUX, en Dakota del Sur, no encontró nada en su búsqueda de partículas oscuras, es el resultado del último fracaso en un esfuerzo planetario de décadas para encontrarla. Algunos sondeos cósmicos también sugieren que las partículas oscuras no pueden estar ahí, lo cual resulta especialmente confuso, ya que las observaciones astronómicas son el impulso original para la hipótesis de la materia oscura.

Las cuestiones que están en juego son de gran importancia. La aceptación de la materia oscura ha influido en el pensamiento científico acerca del nacimiento del Universo, la evolución de las galaxias, los agujeros negros y las leyes fundamentales de la física. Sin embargo, incluso dentro de los círculos académicos, hay mucha confusión sobre la materia oscura, donde las evidencias y las interpretaciones a menudo se confunden de manera engañosa e improductiva.

El argumento moderno para la materia oscura comienza con la suposición de que el Universo está descrito por la ecuación de campo de la relatividad general de Albert Einstein, y que la gravitación newtoniana (es decir, la gravedad tal como la medimos en la Tierra) es válida en todos los lugares y en todo momento. Supone, además, que toda la materia del Universo fue producida en el Big Bang.

Las simulaciones basadas en este escenario crean predicciones específicas sobre la rapidez con que se forman las estructuras cósmicas, y también sobre los movimientos de galaxias y estrellas dentro de las galaxias. Cuando lo comparamos con las observaciones, dichas simulaciones indican que los efectos gravitatorios en el mundo real deben ser más fuertes de lo que puede ser explicado por la materia que conocemos.

La materia oscura proporciona una atracción gravitacional adicional que consiguen que el modelo y la realidad estén ampliamente alineados. Los investigadores de ahora asumen rutinariamente este modelo --Einstein más materia oscura, a menudo llamada "hipótesis nula"--, como punto de partida, y luego realizan cálculos detallados de los sistemas galácticos para testearlo.

Fue así como encontré este campo a finales de los años noventa. Estaba estudiando la dinámica de las pequeñas galaxias satelitales que orbitan nuestra galaxia, la Vía Láctea. Desde la observación, esperábamos que estas galaxias satélite debían contener mucha materia oscura, de 10 a 1.000 veces más que su propia materia visible y normal. Durante mis cálculos, hice un descubrimiento desconcertante. Mis simulaciones produjeron galaxias satelitales que se parecen mucho a las observadas, pero que no contenían materia oscura. Parecía que los observadores habían hecho suposiciones equivocadas sobre la forma en que las estrellas se mueven dentro de las galaxias satelitales; no se requería la materia oscura para explicar sus estructuras.

Publiqué estos resultados y rápidamente aprendí lo que significaba no seguir el mainstream (corriente principal). A pesar de las críticas que recibí, proseguí estos resultados algunos años más tarde y descubrí otra importante inconsistencia. Las conocidas galaxias satélite de la Vía Láctea están distribuidas a lo largo de un vasto disco polar perpendicular a la orientación de nuestra galaxia. Pero los modelos dominados por la materia oscura predicen que las galaxias enanas primordiales deberían haber caído dentro de la Vía Láctea desde direcciones aleatorias, por lo que deberían seguir una distribución esferoidal. Este hallazgo desencadenó un gran debate, con los principales investigadores argumentando que este disco de satélites no existe realmente; o que no es significativo; o que no puede usarse para probar modelos.

Entre tanto, los astrónomos siguieron identificando nuevas galaxias satélite enanas que hacían que la estructura del disco fuera aún más pronunciada.

Rodrigo Ibata, en el Observatorio de Estrasburgo, demostró que nuestra galaxia vecina, Andromeda, tiene un disco aún más pronunciado de galaxias satélite. Mi equipo de la Universidad de Bonn encontró entonces que los discos de satélites alrededor de Andrómeda y de la Vía Láctea parecen estar alineados, y que toda la estructura de nuestro Grupo Local de galaxias es altamente simétrica. Ibata y su equipo, confirmaron posteriormente que la distribución observada de la materia no coincide con las predicciones de la materia oscura a distancias de 24 millones de años luz.

Más problemas: cuando una galaxia enana con un halo de materia oscura pasa a través del halo de materia oscura de una galaxia grande, los halos de materia oscura deberían absorber la energía del movimiento, de manera que la galaxia enana caiga al centro de la galaxia grande, "algo así como una bola de mármol cae dentro de la miel". Se trata de un proceso bien estudiado, conocido como fricción dinámica, pero no es tan evidente en los datos astronómicos, lo que sugiere, simplemente, que los halos esperados de materia oscura no existen.

Más recientemente, Stacy McGaugh, en la Case Western Reserve University de Ohio, y su equipo, documentaron que el patrón de rotación de las galaxias espirales parece seguir con precisión sólo el patrón de la materia visible, planteando otro desafío a la hipótesis nula.

A la luz de estos hallazgos, sostengo que la hipótesis nula debe ser descartada. ¿Con qué puede reemplazarse? El primer paso a dar es que necesitamos revisar la validez de la ley universal de gravitación de Newton. Desde comienzos de los años 1980, Mordehai Milgrom, en el Instituto Weizmann de Israel, demostró que una pequeña generalización de las leyes de Newton puede producir la dinámica observada de la materia en las galaxias y en los cúmulos de galaxias sin necesidad de materia oscura.

Este enfoque se conoce ampliamente como MOND (MOdified Newtonian Dynamics). La corrección de Milgrom permite que la atracción gravitacional decaiga con la distancia más lentamente de lo esperado (en lugar de con el cuadrado de distancia, según Newton) cuando la aceleración gravitacional local cae por debajo de un umbral extremadamente bajo. Este umbral podría estar relacionado con otras propiedades cosmológicas, como la supuesta "energía oscura", a la hora de explicar la acelerada expansión del Universo.

Comparison of the observed and expected rotation curves of the typical spiral galaxy M33. Autora: Stefania.deluca..Wikipedia.

Estos relaciones sugieren una teoría fundamental más profunda del espacio, el tiempo y la materia, que aún no ha sido formulada. Pocos investigadores han perseguido tal hipótesis alternativa, en parte porque parece cuestionar la validez de la relatividad general. Sin embargo, esto no tiene por qué ser el caso; los efectos físicos adicionales relacionados con la física cuántica del espacio vacío y la naturaleza de la masa podría aquí estar desempeñando un papel.

MOND también se enfrenta a sus propios desafíos, tanto observacionales como teóricos. Su mayor inconveniente es que MOND aún no está bien anclada a la relatividad general. Debido al dogma imperante de la materia oscura, pocos científicos se atreven a basarse en las ideas de Milgrom. Los jóvenes investigadores corren el riesgo de no conseguir un empleo y los investigadores mayores se enfrentan a la pérdida de subvenciones.

Junto con Benoit Famaey, en Estrasburgo, mi pequeño grupo de Bonn continúa avanzando de todos modos. Sí, estamos siendo castigados al no recibir dinero para la investigación, pero en nuestras computadoras estamos descubriendo un universo lleno de galaxias que se parecen a las cosas reales, y esto es terriblemente emocionante. MOND podría ser el próximo gran avance en la investigación gravitacional, basado en el trabajo de Newton y Einstein. La detección de ondas gravitatorias de este año permiten nuevas posibilidades. Esas ondas han recorrido distancias cosmológicas, y por lo tanto han pasado por regiones donde el efecto de bajo umbral de Milgrom ha debido ser significativo. Los estudios de las ondas gravitatorias proporcionarán el tipo de datos necesarios para refinar nuestras ideas sobre MOND y para explorar el pensamiento cosmológico fuera de las limitaciones del dogma.

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Ref. AEON magazine.co, por Pavel Kroupa, 2 nov. 2016
Autor: Pavel Kroupa es profesor de astrofísica en la Universidad de Bonn, en Alemania, donde reside, y dirige el grupo de investigación Stellar Populations and Dynamics.
Traducción: Pedro Donaire

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