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Dinámica newtoniana modificada

La dinámica newtoniana modificada ( MOND ) es una teoría que propone una modificación de la segunda ley de Newton para explicar las propiedades observadas de las galaxias . Su motivación principal es explicar las curvas de rotación de las galaxias sin recurrir a la materia oscura , y es una de las teorías más conocidas de esta clase. Sin embargo, no ha obtenido una aceptación generalizada, ya que la mayoría de los astrofísicos apoyan el modelo Lambda-CDM por ofrecer un mejor ajuste a las observaciones. [1] [2]

MOND fue desarrollado en 1982 y presentado en 1983 por el físico israelí Mordehai Milgrom . [3] Milgrom señaló que los datos de la curva de rotación de galaxias, que parecían mostrar que las galaxias contienen más materia de la que se observa, también podrían explicarse si la fuerza gravitacional experimentada por una estrella en las regiones externas de una galaxia decae más lentamente de lo predicho por la ley de gravedad de Newton . MOND modifica las leyes de Newton para aceleraciones extremadamente pequeñas (características de las regiones externas de las galaxias, o las fuerzas intergalacticas dentro de los cúmulos de galaxias), ajustándose a los datos de la curva de rotación de galaxias. [4] Además, la teoría predice que la masa del Centro Galáctico debería afectar incluso a las órbitas de los objetos del Cinturón de Kuiper . [5]

Problema sin resolver en física :
  • ¿Cuál es la naturaleza de la materia oscura ? ¿Es una partícula o los fenómenos atribuidos a la materia oscura requieren en realidad una modificación de las leyes de la gravedad?
(más problemas sin resolver en física)

Desde la propuesta original de Milgrom, MOND ha tenido éxitos dispersos. Es capaz de explicar varias observaciones en la dinámica de galaxias, [6] [7] algunas de las cuales pueden ser difíciles de explicar para Lambda-CDM. [8] Sin embargo, MOND lucha para explicar una serie de otras observaciones, como los picos acústicos del fondo cósmico de microondas y el cúmulo Bullet ; además, debido a que MOND no es una teoría relativista, lucha para explicar efectos relativistas como el efecto de lente gravitacional y las ondas gravitacionales . Finalmente, una debilidad importante de MOND es que los cúmulos de galaxias muestran una discrepancia de masa residual incluso cuando se analizan utilizando MOND. [6] [9] [10]

Una minoría de astrofísicos sigue trabajando en la teoría. Jacob Bekenstein desarrolló una generalización relativista de MOND en 2004, TeVeS , que sin embargo tenía su propio conjunto de problemas. Otro intento notable fue el de Constantinos Skordis y Tom Złośnik, quienes propusieron un modelo relativista de MOND en 2021 que pretendía explicar el fondo cósmico de microondas, pero parece ser muy artificial. [1]

Descripción general

Figura 1 – Comparación de las curvas de rotación observadas y esperadas de la galaxia espiral típica M33 [11]

Varias observaciones independientes sugieren que la masa visible en galaxias y cúmulos de galaxias es insuficiente para explicar su dinámica, cuando se analiza utilizando las leyes de Newton. Esta discrepancia, conocida como el "problema de la masa faltante", fue identificada por primera vez para los cúmulos por el astrónomo suizo Fritz Zwicky en 1933 (quien estudió el cúmulo de Coma ), [12] [13] y posteriormente se extendió para incluir galaxias espirales por el trabajo de 1939 de Horace Babcock sobre Andrómeda . [14]

Estos primeros estudios fueron ampliados y llevados a la atención de la comunidad astronómica en los años 1960 y 1970 por el trabajo de Vera Rubin en el Instituto Carnegie en Washington, quien trazó un mapa detallado de las velocidades de rotación de las estrellas en una gran muestra de espirales. Mientras que las Leyes de Newton predicen que las velocidades de rotación estelar deberían disminuir con la distancia al centro galáctico, Rubin y sus colaboradores descubrieron en cambio que permanecen casi constantes [15] – se dice que las curvas de rotación son “planas”. Esta observación requiere al menos uno de los siguientes:

La opción (1) conduce a la hipótesis de la materia oscura; la opción (2) conduce a MOND.

MOND fue propuesto por Mordehai Milgrom en 1983

La premisa básica de MOND es que, si bien las leyes de Newton se han probado ampliamente en entornos de alta aceleración (en el Sistema Solar y en la Tierra), no se han verificado para objetos con una aceleración extremadamente baja, como las estrellas en las partes externas de las galaxias. Esto llevó a Milgrom a postular una nueva ley de fuerza gravitacional efectiva (a veces denominada " ley de Milgrom ") que relaciona la aceleración real de un objeto con la aceleración que se predeciría para él sobre la base de la mecánica newtoniana. [3] Esta ley, la piedra angular de MOND, se elige para reproducir el resultado newtoniano a alta aceleración, pero conduce a un comportamiento diferente ("MOND profundo") a baja aceleración:

Aquí F N es la fuerza newtoniana, m es la masa (gravitacional) del objeto , a es su aceleración, μ ( x ) es una función aún no especificada (llamada función de interpolación ) y a 0 es una nueva constante fundamental que marca la transición entre los regímenes newtoniano y MOND profundo. La concordancia con la mecánica newtoniana requiere

y la coherencia con las observaciones astronómicas requiere

Más allá de estos límites, la función de interpolación no está especificada por la hipótesis, aunque es posible restringirla débilmente de forma empírica. [16] [17] Dos opciones comunes son la "función de interpolación simple":

y la "función de interpolación estándar":

Así, en el régimen MOND profundo ( a ≪ a 0 ):

Aplicando esto a una estrella u otro objeto de masa m en órbita circular alrededor de la masa M (la masa bariónica total de la galaxia), se produce

Al ajustar su ley a los datos de la curva de rotación, Milgrom encontró que un valor óptimo era 0 ≈ 1,2 × 10 −10  m/s 2 .

MOND sostiene que para aceleraciones menores que un valor a 0 de aproximadamente 1,2 × 10 −10  m/s 2 , las aceleraciones se alejan cada vez más de la relación newtoniana estándar M · G  /  r  2 de masa y distancia, en la que la fuerza gravitatoria es proporcional a la masa y al cuadrado inverso de la distancia. Específicamente, la teoría sostiene que cuando la gravedad está muy por debajo del valor a 0 , su tasa de cambio —incluida la curvatura del espacio-tiempo— aumenta con la raíz cuadrada de la masa (en lugar de linealmente como lo indica la ley newtoniana) y disminuye linealmente con la distancia (en lugar de la distancia al cuadrado).

Siempre que una masa pequeña, m , está cerca de una masa mucho mayor, M , ya sea una estrella cerca del centro de una galaxia o un objeto cerca o sobre la Tierra, MOND produce dinámicas que son indistinguiblemente cercanas a las de la gravedad newtoniana. Esta correspondencia 1 a 1 entre MOND y la dinámica newtoniana se mantiene hasta aceleraciones de aproximadamente 1,2 × 10 −10  m/s 2 (el valor a 0 ); a medida que las aceleraciones disminuyen por debajo de a 0 , la dinámica de MOND diverge rápidamente de la descripción newtoniana de la gravedad. Por ejemplo, hay una cierta distancia desde el centro de cualquier galaxia dada en la que su aceleración gravitatoria es igual a a 0 ; a diez veces esa distancia, la gravedad newtoniana predice una disminución de la gravedad de cien veces, mientras que MOND predice solo una reducción de diez veces.

Es importante señalar que el componente newtoniano de la dinámica de MOND permanece activo en aceleraciones muy por debajo del valor a 0 de 1,2 × 10 −10  m/s 2 ; las ecuaciones de MOND no establecen una aceleración mínima para el componente newtoniano. Sin embargo, debido a que la dinámica residual de tipo newtoniano de MOND continúa disminuyendo como el cuadrado inverso de la distancia por debajo de a 0 (al igual que por encima), se desvanece comparativamente al verse abrumada por la dinámica lineal “MOND profunda” más fuerte de la teoría.

MOND predice velocidades estelares que coinciden estrechamente con las observaciones para un rango extraordinariamente amplio de distancias desde los centros de masa galácticos. La magnitud de 1,2 × 10 −10 de un 0 no solo establece la distancia desde el centro de la galaxia en la que divergen las dinámicas newtoniana y MOND, sino que un 0 también establece el ángulo (cuando no se representa con escalas logarítmicas/logarítmicas ) de la pendiente lineal no newtoniana en gráficos de velocidad/radio como el de la Fig. 1 .

La gravedad compatible con MOND, que explica las observaciones a escala galáctica, no se había detectado anteriormente más cerca de la Tierra, como en laboratorios nacionales o en las trayectorias de naves espaciales interplanetarias, porque la aceleración a 0 , 1,2 × 10 −10  m/s 2 , en la que la dinámica de MOND comienza a divergir de la dinámica newtoniana, es, en la práctica, indistinguiblemente cercana a la ingravidez perfecta . Dentro del Sistema Solar, la ecuación v  4  =  GMa 0 hace que el efecto del término a 0 sea prácticamente inexistente; se ve superado por la enorme (y altamente newtoniana) influencia gravitacional del Sol, así como por la variabilidad de la gravedad superficial de la Tierra.

En la superficie de la Tierra (y en los laboratorios nacionales cuando se realizan gravimetrías de ultraprecisión), el valor  a 0 es igual a 0,012 microgal (μGal), que es solo doce billonésimas de la fuerza de la gravedad de la Tierra . Un cambio en las leyes de la gravedad por debajo de esta aceleración es demasiado pequeño para ser resuelto incluso con los gravímetros absolutos de caída libre más sensibles disponibles en los laboratorios nacionales, como el FG5-X, que tiene una precisión de solo ±2 μGal. Al considerar por qué los efectos de MOND no son detectables con gravimetría de precisión en la Tierra, es importante recordar que a 0 no representa una fuerza espuria; es la fuerza gravitacional a la que se teoriza que MOND comienza a alejarse significativamente de la dinámica newtoniana. Además, la fuerza a 0 es equivalente al cambio en la gravedad de la Tierra provocado por una diferencia de elevación de 0,04 mm (el ancho de un cabello humano fino). Estos sutiles detalles gravitacionales, además de no poder ser detectados con los gravímetros actuales, se ven eclipsados ​​por las distorsiones que se producen dos veces al día en la forma de la Tierra debido a las mareas gravitacionales lunares, que pueden causar cambios de elevación locales casi 10.000 veces mayores que 0,04 mm. Estas perturbaciones de la gravedad local debidas a las distorsiones de las mareas son detectables incluso como variaciones en la frecuencia de un reloj de doble péndulo Shortt , que era un estándar nacional de cronometraje a finales de la década de 1920.

Incluso en el borde del Sistema Solar, el punto a 0 en el que la dinámica MOND diverge significativamente de la dinámica newtoniana se ve superado y enmascarado por los campos gravitatorios mucho más fuertes del Sol y los planetas, que siguen la gravedad newtoniana. Para dar una idea de la escala de a 0 , una masa que flota libremente en el espacio que estuviera expuesta durante una hora a 1,2 × 10 −10  m/s 2 "caería" solo 0,8 milímetros, aproximadamente el grosor de una tarjeta de crédito. Una nave espacial interplanetaria en una trayectoria inercial de vuelo libre muy por encima del plano eclíptico del Sistema Solar (donde está aislada de la influencia gravitatoria de planetas individuales) experimentaría, cuando estuviera a la misma distancia del Sol que Neptuno, una fuerza gravitatoria newtoniana clásica que es 55.000 veces más fuerte que una 0 . En el caso de los asteroides pequeños del Sistema Solar, los efectos gravitacionales en el ámbito de a 0 son comparables en magnitud al efecto Yarkovsky , que perturba sutilmente sus órbitas durante largos períodos debido a la transferencia de momento de la emisión no simétrica de fotones térmicos. La contribución del Sol a la gravedad galáctica interestelar no disminuye hasta el umbral a 0 en el que predominan los efectos de MOND hasta que los objetos se encuentran a 41  días luz del Sol; esto es 53 veces más lejos del Sol de lo que estaba la Voyager 2 en noviembre de 2022, que ha estado en el medio interestelar desde 2012.

A pesar de sus efectos diminutos e indetectables sobre los cuerpos que están en la Tierra, dentro del Sistema Solar e incluso en las proximidades del Sistema Solar y otros sistemas planetarios , MOND explica con éxito los efectos rotacionales significativos observados a escala galáctica sin invocar la existencia de partículas de materia oscura aún no detectadas que se encuentran fuera del exitoso Modelo Estándar de física de partículas. Esto se debe en gran parte a que MOND sostiene que la gravedad extremadamente débil a escala galáctica que mantiene unidas a las galaxias cerca de sus perímetros declina como una relación lineal muy lenta con la distancia desde el centro de una galaxia en lugar de declinar como el cuadrado inverso de la distancia.

La ley de Milgrom se puede interpretar de dos maneras:

Por sí misma, la ley de Milgrom no es una teoría física completa y autónoma , sino más bien una variante motivada empíricamente ad hoc de una de las varias ecuaciones que constituyen la mecánica clásica. Su estatus dentro de una hipótesis no relativista coherente de MOND es similar a la Tercera Ley de Kepler dentro de la mecánica newtoniana; proporciona una descripción sucinta de los hechos observacionales, pero debe explicarse por conceptos más fundamentales situados dentro de la hipótesis subyacente. Se han propuesto varias hipótesis clásicas completas (típicamente a lo largo de las líneas de "gravedad modificada" en oposición a "inercia modificada"), que generalmente producen la ley de Milgrom exactamente en situaciones de alta simetría y en otras ocasiones se desvían ligeramente de ella. Un subconjunto de estas hipótesis no relativistas se han incorporado aún más dentro de las teorías relativistas, que son capaces de hacer contacto con fenómenos no clásicos (por ejemplo, lente gravitacional ) y cosmología . [19] Distinguir tanto teórica como observacionalmente entre estas alternativas es un tema de investigación actual.

La mayoría de los astrónomos , astrofísicos y cosmólogos aceptan la materia oscura como la explicación de las curvas de rotación galáctica (basadas en la relatividad general y, por lo tanto, en la mecánica newtoniana), y están comprometidos con una solución de materia oscura al problema de la masa faltante. [20] La principal diferencia entre los partidarios de ΛCDM y MOND está en las observaciones para las que exigen una explicación cuantitativa sólida, y aquellas para las que están satisfechos con una explicación cualitativa, o están dispuestos a dejar para trabajos futuros. Los defensores de MOND enfatizan las predicciones hechas a escala de galaxias (donde MOND disfruta de sus éxitos más notables) y creen que aún no se ha descubierto un modelo cosmológico consistente con la dinámica de las galaxias. Los defensores de ΛCDM requieren altos niveles de precisión cosmológica (que proporciona la cosmología de concordancia) y argumentan que una resolución de los problemas a escala de galaxias se derivará de una mejor comprensión de la complicada astrofísica bariónica que subyace a la formación de galaxias . [6] [21]

Evidencia observacional de MOND

Dado que MOND fue diseñado específicamente para producir curvas de rotación planas, estas no constituyen evidencia para la hipótesis, pero cada observación coincidente se suma al respaldo de la ley empírica. Sin embargo, los defensores afirman que una amplia gama de fenómenos astrofísicos a escala galáctica se explican claramente dentro del marco de MOND. [19] [22] Muchos de ellos salieron a la luz después de la publicación de los artículos originales de Milgrom y son difíciles de explicar utilizando la hipótesis de la materia oscura. Los más destacados son los siguientes:

Hipótesis completas de MOND

La ley de Milgrom debe incorporarse a una hipótesis completa para satisfacer las leyes de conservación y proporcionar una solución única para la evolución temporal de cualquier sistema físico. Cada una de las teorías descritas aquí se reduce a la ley de Milgrom en situaciones de alta simetría (y, por lo tanto, disfruta de los éxitos descritos anteriormente), pero produce un comportamiento diferente en los detalles.

No relativista

La primera hipótesis de MOND (denominada AQUAL ) fue construida en 1984 por Milgrom y Jacob Bekenstein . [44] AQUAL genera un comportamiento MONDiano modificando el término gravitacional en el Lagrangiano clásico de ser cuadrático en el gradiente del potencial newtoniano a una función más general. (AQUAL es un acrónimo de A QUAdratic Lagrangian). En fórmulas:

donde es el potencial gravitatorio newtoniano estándar y F es una nueva función adimensional. La aplicación de las ecuaciones de Euler-Lagrange de la forma estándar conduce entonces a una generalización no lineal de la ecuación de Newton-Poisson :

Esto se puede resolver dadas las condiciones de contorno adecuadas y la elección de F para obtener la ley de Milgrom (hasta una corrección del campo rotacional que se desvanece en situaciones de alta simetría).

Una forma alternativa de modificar el término gravitacional en el lagrangiano es introducir una distinción entre el campo de aceleración verdadero (MONDiano) a y el campo de aceleración newtoniano a N . El lagrangiano puede construirse de modo que a N satisfaga la ecuación habitual de Newton-Poisson, y luego se utiliza para encontrar a mediante un paso algebraico adicional pero no lineal, que se elige para satisfacer la ley de Milgrom. Esto se llama la "formulación cuasi-lineal de MOND", o QUMOND, [45] y es particularmente útil para calcular la distribución de materia oscura "fantasma" que se inferiría de un análisis newtoniano de una situación física dada. [19]

Tanto AQUAL como QUMOND proponen cambios en la parte gravitacional de la acción clásica de la materia y, por lo tanto, interpretan la ley de Milgrom como una modificación de la gravedad newtoniana en oposición a la segunda ley de Newton. La alternativa es convertir el término cinético de la acción en un funcional que dependa de la trayectoria de la partícula. Sin embargo, estas teorías de "inercia modificada" son difíciles de usar porque no son locales en el tiempo, requieren que la energía y el momento se redefinan de manera no trivial para que se conserven y tienen predicciones que dependen de la totalidad de la órbita de una partícula. [19]

Relativista

En 2004, Jacob Bekenstein formuló TeVeS , la primera hipótesis relativista completa que utiliza el comportamiento MONDiano. [46] TeVeS se construye a partir de un lagrangiano local (y por lo tanto respeta las leyes de conservación), y emplea un campo vectorial unitario, un campo escalar dinámico y no dinámico , una función libre y una métrica no einsteiniana para producir AQUAL en el límite no relativista (bajas velocidades y gravedad débil). TeVeS ha tenido cierto éxito al hacer contacto con observaciones de formación de estructuras y de lentes gravitacionales, [47] pero enfrenta problemas cuando se enfrenta a datos sobre la anisotropía del fondo cósmico de microondas , [48] la vida útil de los objetos compactos, [49] y la relación entre los potenciales de lentes y de sobredensidad de materia. [50]

Existen varias generalizaciones relativistas alternativas de MOND, incluidas BIMOND y la teoría generalizada del éter de Einstein . [19] También existe una generalización relativista de MOND que supone una invariancia de tipo Lorentz como base física de la fenomenología MOND. [51]

Efecto de campo externo

En la mecánica newtoniana, la aceleración de un objeto se puede hallar como la suma vectorial de la aceleración debida a cada una de las fuerzas individuales que actúan sobre él. Esto significa que un subsistema se puede desacoplar del sistema mayor en el que está inserto simplemente remitiendo el movimiento de sus partículas constituyentes a su centro de masas; en otras palabras, la influencia del sistema mayor es irrelevante para la dinámica interna del subsistema. Dado que la ley de Milgrom no es lineal en aceleración, los subsistemas MONDianos no se pueden desacoplar de su entorno de esta manera, y en ciertas situaciones esto conduce a un comportamiento sin paralelo newtoniano. Esto se conoce como el "efecto de campo externo" (EFE), [3] para el cual existe evidencia observacional. [36]

El efecto del campo externo se describe mejor clasificando los sistemas físicos según sus valores relativos de a in (la aceleración característica de un objeto dentro de un subsistema debido a la influencia de otro), a ex (la aceleración de todo el subsistema debido a fuerzas ejercidas por objetos fuera de él) y a 0 :

El efecto de campo externo implica una ruptura fundamental con el principio de equivalencia fuerte (pero no necesariamente con el principio de equivalencia débil ). El efecto fue postulado por Milgrom en el primero de sus artículos de 1983 para explicar por qué se observó que algunos cúmulos abiertos no tenían discrepancias de masa a pesar de que sus aceleraciones internas eran inferiores a 0. Desde entonces ha llegado a ser reconocido como un elemento crucial del paradigma MOND.

La dependencia en MOND de la dinámica interna de un sistema respecto de su entorno externo (en principio, el resto del universo ) recuerda mucho al principio de Mach y puede indicar una estructura más fundamental subyacente a la ley de Milgrom. A este respecto, Milgrom ha comentado: [53]

Desde hace tiempo se ha sospechado que la dinámica local está fuertemente influida por el universo en general, al estilo del principio de Mach, pero MOND parece ser el primero en proporcionar evidencia concreta de tal conexión. Esta puede resultar ser la implicación más fundamental de MOND, más allá de su modificación implícita de la dinámica newtoniana y la relatividad general, y más allá de la eliminación de la materia oscura.

De hecho, el vínculo potencial entre la dinámica MONDiana y el universo como un todo (es decir, la cosmología) se ve aumentado por la observación de que el valor de a 0 (determinado por ajustes a las propiedades internas de las galaxias) está dentro de un orden de magnitud de cH 0 , donde c es la velocidad de la luz y H 0 es la constante de Hubble (una medida de la tasa de expansión actual del universo). [3] También está cerca de la tasa de aceleración del universo , y por lo tanto de la constante cosmológica . Un trabajo reciente sobre una formulación transaccional de la gravedad entrópica por Schlatter y Kastner [54] sugiere una conexión natural entre a 0 , H 0 y la constante cosmológica .

Respuestas y críticas

Explicación de la materia oscura

Aunque se reconoce que la ley de Milgrom proporciona una descripción sucinta y precisa de una variedad de fenómenos galácticos, muchos físicos rechazan la idea de que la dinámica clásica en sí misma deba modificarse e intentan, en cambio, explicar el éxito de la ley haciendo referencia al comportamiento de la materia oscura. Se han hecho algunos esfuerzos para establecer la presencia de una escala de aceleración característica como consecuencia natural del comportamiento de los halos de materia oscura fría, [55] [56] aunque Milgrom ha argumentado que tales argumentos explican solo un pequeño subconjunto de los fenómenos MOND. [57] Una propuesta alternativa es modificar las propiedades de la materia oscura (por ejemplo, para hacer que interactúe fuertemente consigo misma o con bariones) para inducir el acoplamiento estrecho entre la masa bariónica y la materia oscura que las observaciones indican. [58] Finalmente, algunos investigadores sugieren que explicar el éxito empírico de la ley de Milgrom requiere una ruptura más radical con los supuestos convencionales sobre la naturaleza de la materia oscura. Una idea (denominada "materia oscura dipolar") es hacer que la materia oscura sea polarizable gravitacionalmente por la materia ordinaria y que esta polarización mejore la atracción gravitacional entre bariones. [59]

Problemas pendientes para MOND

El problema más serio al que se enfrenta la ley de Milgrom es que no puede eliminar la necesidad de materia oscura en todos los sistemas astrofísicos: los cúmulos de galaxias muestran una discrepancia de masa residual incluso cuando se analizan utilizando MOND. [6] El hecho de que deba existir alguna forma de masa invisible en estos sistemas resta valor a la idoneidad de MOND como solución al problema de la masa faltante, aunque la cantidad de masa adicional requerida es una quinta parte de la de un análisis newtoniano, y no hay ningún requisito de que la masa faltante sea no bariónica. Se ha especulado que los neutrinos de 2 eV podrían explicar las observaciones del cúmulo en MOND, al tiempo que se preservan los éxitos de la hipótesis a escala galáctica. [60] [61] De hecho, el análisis de datos de lente nítida para el cúmulo de galaxias Abell 1689 muestra que MOND solo se vuelve distintivo a una distancia de Mpc desde el centro, de modo que el enigma de Zwicky permanece, [62] y se necesitan neutrinos de 1,8 eV en los cúmulos. [63]

La observación en 2006 de un par de cúmulos de galaxias en colisión, conocidos como el " cúmulo bala ", [64] plantea un desafío significativo para todas las teorías que proponen una solución gravitacional modificada al problema de la masa faltante, incluida la MOND. Los astrónomos midieron la distribución de la masa estelar y del gas en los cúmulos utilizando luz visible y de rayos X , respectivamente, y además mapearon la densidad de materia oscura inferida utilizando lentes gravitacionales. En MOND, uno esperaría que la "masa faltante" se centrara en regiones de masa visible que experimentan aceleraciones inferiores a 0 (asumiendo que el efecto del campo externo es insignificante). En ΛCDM, por otro lado, uno esperaría que la materia oscura estuviera significativamente desplazada respecto de la masa visible porque los halos de los dos cúmulos en colisión pasarían uno a través del otro (asumiendo, como es convencional, que la materia oscura no colisiona), mientras que el gas del cúmulo interactuaría y terminaría en el centro. Se ve claramente un desplazamiento en las observaciones. Sin embargo, se ha sugerido que los modelos basados ​​en MOND pueden generar dicho desplazamiento en sistemas fuertemente no esféricamente simétricos, como el Bullet Cluster. [65]

Algunas galaxias ultra difusas , como NGC 1052-DF2 , parecen estar libres de materia oscura. Si este es realmente el caso, esto plantea un problema para MOND porque no puede explicar las curvas de rotación. [a] Se están realizando esfuerzos para demostrar que MOND es capaz de reproducir las curvas de rotación, [66] o que las observaciones son incorrectas. [67]

Una evidencia significativa a favor de la materia oscura estándar son las anisotropías observadas en el fondo cósmico de microondas . [68] Mientras que ΛCDM es capaz de explicar el espectro de potencia angular observado, MOND tiene muchas más dificultades, aunque es posible construir generalizaciones relativistas de MOND que también se ajusten a las observaciones. [69] MOND también encuentra dificultades para explicar la formación de la estructura , con perturbaciones de densidad en MOND quizás creciendo tan rápidamente que se forma demasiada estructura en la época actual. [70] Sin embargo, formar galaxias más rápidamente que en ΛCDM puede ser algo bueno hasta cierto punto. [71]

Varios otros estudios han señalado dificultades observacionales con MOND. Por ejemplo, se ha afirmado que MOND ofrece un ajuste deficiente al perfil de dispersión de velocidad de los cúmulos globulares y al perfil de temperatura de los cúmulos de galaxias, [72] [73] que se requieren diferentes valores de a 0 para la concordancia con las curvas de rotación de diferentes galaxias, [74] y que MOND es naturalmente inadecuado para formar la base de la cosmología. [75] Además, muchas versiones de MOND predicen que la velocidad de la luz es diferente de la velocidad de la gravedad, pero en 2017 se midió que la velocidad de las ondas gravitacionales era igual a la velocidad de la luz con alta precisión. [76] Esto se entiende bien en las teorías relativistas modernas de MOND, con la restricción de las ondas gravitacionales realmente ayudando al restringir sustancialmente cómo se podría construir una teoría covariante. [77]

Además de estos problemas observacionales, la MOND y sus generalizaciones relativistas están plagadas de dificultades teóricas. [75] [78] Se requieren varias adiciones ad hoc y poco elegantes a la relatividad general para crear una teoría compatible con un límite no relativista no newtoniano, aunque las predicciones en este límite son bastante claras. Este es el caso de las versiones de gravedad modificada de la MOND más utilizadas, pero algunas formulaciones (sobre todo las basadas en la inercia modificada) han sufrido durante mucho tiempo de poca compatibilidad con principios físicos apreciados como las leyes de conservación. Los investigadores que trabajan en MOND generalmente no lo interpretan como una modificación de la inercia, y solo se han realizado trabajos muy limitados en esta área.

Propuestas para probar MOND

Se han propuesto varias pruebas observacionales y experimentales para ayudar a distinguir [79] entre MOND y modelos basados ​​en materia oscura:

Véase también

Notas

  1. ^ También es un problema para la materia oscura fría estándar, ya que necesita demostrar que es capaz de formar galaxias sin materia oscura.

Referencias

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