¿Está muerta la principal teoría rival de la materia oscura? La nave espacial Cassini y otras pruebas recientes pueden invalidar MOND

Uno de los mayores misterios de la astrofísica actual es que las fuerzas en las galaxias no parecen cuadrar. Las galaxias giran mucho más rápido de lo previsto al aplicar la ley de gravedad de Newton a su materia visible, a pesar de que esas leyes funcionan bien en todo el sistema solar.

Para evitar que las galaxias se separen, se necesita algo de gravedad adicional. Por eso se propuso por primera vez la idea de una sustancia invisible llamada materia oscura. Pero nadie ha visto nunca esas cosas. Y en el enormemente exitoso Modelo Estándar de física de partículas no hay partículas que puedan ser materia oscura; debe ser algo bastante exótico.

Esto ha llevado a la idea rival de que las discrepancias galácticas son causadas más bien por una ruptura de las leyes de Newton. La idea más exitosa se conoce como dinámica milgromiana o MOND, propuesta por el físico israelí Mordehai Milgrom en 1982. Pero nuestra investigación reciente muestra que esta teoría tiene problemas.

El principal postulado de MOND es que la gravedad comienza a comportarse de manera diferente a lo que Newton esperaba cuando se vuelve muy débil, como en los bordes de las galaxias. MOND tiene bastante éxito en predecir la rotación de galaxias sin materia oscura, y tiene algunos otros éxitos. Pero muchos de ellos también pueden explicarse con materia oscura, preservando las leyes de Newton.

Entonces, ¿cómo sometemos a MOND a una prueba definitiva? Llevamos muchos años persiguiendo esto. La clave es que MOND sólo cambia el comportamiento de la gravedad a bajas aceleraciones, no a una distancia específica de un objeto. Sentirás una aceleración menor en las afueras de cualquier objeto celeste (un planeta, estrella o galaxia) que cuando estés cerca de él. Pero es la cantidad de aceleración, más que la distancia, la que predice dónde debería ser más fuerte la gravedad.

Esto significa que, aunque los efectos MOND normalmente se producirían a varios miles de años luz de una galaxia, si miramos una estrella individual, los efectos serían muy significativos a una décima de año luz. Esto es sólo unos pocos miles de veces mayor que una unidad astronómica (UA), la distancia entre la Tierra y el Sol. Pero los efectos MOND más débiles también deberían ser detectables a escalas aún más pequeñas, como en el sistema solar exterior.

Esto nos lleva a la misión Cassini, que orbitó Saturno entre 2004 y su feroz choque final contra el planeta en 2017. Saturno orbita alrededor del Sol a 10 UA. Debido a una peculiaridad de MOND, la gravedad del resto de nuestra galaxia debería hacer que la órbita de Saturno se desvíe sutilmente de la expectativa newtoniana.

Esto se puede comprobar cronometrando pulsos de radio entre la Tierra y Cassini. Como Cassini estaba orbitando Saturno, esto ayudó a medir la distancia Tierra-Saturno y nos permitió rastrear con precisión la órbita de Saturno. Pero Cassini no encontró ninguna anomalía del tipo esperado en MOND. Newton todavía funciona bien para Saturno.

Uno de nosotros, Harry Desmond, publicó recientemente un estudio en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society que investiga los resultados con mayor profundidad. ¿Quizás MOND se ajustaría a los datos de Cassini si modificáramos la forma en que calculamos las masas de las galaxias a partir de su brillo? Eso afectaría la cantidad de impulso a la gravedad que MOND debe proporcionar para adaptarse a los modelos de rotación de galaxias y, por lo tanto, lo que deberíamos esperar de la órbita de Saturno.

Otra incertidumbre es la gravedad de las galaxias circundantes, que tiene un efecto menor. Pero el estudio demostró que, dado que MOND tendría que funcionar para ajustarse a los modelos de rotación de galaxias, no puede ajustarse también a los resultados del seguimiento de radio de Cassini, sin importar cómo modifiquemos los cálculos.

Con los supuestos estándar considerados más probables por los astrónomos y teniendo en cuenta una amplia gama de incertidumbres, la probabilidad de que MOND coincida con los resultados de Cassini es la misma que la de una moneda lanzada al aire que caiga cara 59 veces seguidas. Esto es más del doble del estándar de oro «5 sigma» para un descubrimiento científico, lo que corresponde a aproximadamente 21 lanzamientos de moneda seguidos.

Más malas noticias para MOND

Esa no es la única mala noticia para MOND. Otra prueba la proporcionan las estrellas binarias anchas: dos estrellas que orbitan alrededor de un centro compartido a varios miles de UA de distancia. LUNES predicho que tales estrellas deberían orbitar entre sí un 20% más rápido de lo esperado según las leyes de Newton. Pero uno de nosotros, Indranil Banik, dirigió recientemente un estudio muy detallado que excluye esta predicción. La probabilidad de que MOND tenga razón dados estos resultados es la misma que la de una moneda justa que aterrice cara a cara 190 veces seguidas.

Los resultados de otro equipo más muestran que MOND también falla para explicar los cuerpos pequeños en el distante sistema solar exterior. Los cometas que llegan desde allí tienen una distribución de energía mucho más estrecha de lo que predice MOND. Estos cuerpos también tienen órbitas que normalmente están ligeramente inclinadas con respecto al plano al que orbitan todos los planetas. MOND provocaría que las inclinaciones fueran mucho mayores.

La gravedad newtoniana es muy preferida a la MOND en escalas de longitud inferiores a aproximadamente un año luz. Pero MOND también falla en escalas mayores que las galaxias: no puede explicar los movimientos dentro de los cúmulos de galaxias. La materia oscura fue propuesta por primera vez por Fritz Zwicky en la década de 1930 para explicar los movimientos aleatorios de las galaxias dentro del cúmulo de coma, que requiere más gravedad para mantenerla unida de la que puede proporcionar la masa visible.

MOND tampoco puede proporcionar suficiente gravedad, al menos en las regiones centrales de los cúmulos de galaxias. Pero en sus alrededores, MOND ofrece demasiado gravedad. Suponiendo, en cambio, que la gravedad newtoniana, con cinco veces más materia oscura que materia normal, parece proporcionar una buen ajuste a los datos.

Sin embargo, el modelo cosmológico estándar de materia oscura no es perfecto. Hay cosas que le cuesta explicar, desde la tasa de expansión del universo hasta estructuras cósmicas gigantes. Por lo tanto, es posible que aún no tengamos el modelo perfecto. Parece que la materia oscura llegó para quedarse, pero su naturaleza puede ser diferente a la que sugiere el Modelo Estándar. O puede que la gravedad sea más fuerte de lo que pensamos, pero sólo en escalas muy grandes.

Sin embargo, en última instancia, MOND, tal como está formulado actualmente, ya no puede considerarse una alternativa viable a la materia oscura. Puede que no nos guste, pero el lado oscuro todavía domina.

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