Cuando los astrónomos estudian la rotación de galaxias distantes, inmediatamente se topan con un enigma. Las estrellas se mantienen unidas por la gravedad, lo que evita que sean lanzadas al espacio intergaláctico a medida que las galaxias giran. De hecho, los astrónomos pueden calcular la cantidad de gravedad basándose en la masa de las estrellas que pueden ver.
El enigma es que las partes más exteriores de estas galaxias se están moviendo demasiado rápido. No parece haber suficiente masa para impedir que estas estrellas se vayan volando.
El hecho de que esto no suceda es uno de los grandes misterios de la cosmología moderna. Alguna fuerza debe mantener unidas a las galaxias, pero los astrónomos no saben de dónde viene.
Su mejor conjetura es que las galaxias deben estar llenas de materia que no pueden ver y que ejerce una fuerza gravitacional sobre lo que sí pueden ver. Y la búsqueda de la llamada materia oscura es uno de los grandes esfuerzos de la ciencia moderna. Pero a pesar de años de investigaciones y experimentos que costaron miles de millones de dólares, nadie ha observado directamente la materia oscura.
Rompecabezas cósmico
Pero hay otra explicación. En la década de 1980, un físico llamado Mordehai Milgrom sugirió que a escala galáctica, las leyes del movimiento de Newton podrían ser sutilmente diferentes a las observadas en la Tierra. Y que esta Dinámica Newtoniana Modificada o MOND podría proporcionar el empuje gravitacional adicional para mantener unidas las galaxias en lugar de la materia oscura.
Pero al igual que ocurre con la materia oscura, ha surgido poca evidencia que respalde esta idea. Varios estudios han analizado la forma en que MOND podría influir en las órbitas de objetos distantes, como Plutón o incluso las naves espaciales Pioneer y Voyager, pero sin resultados alentadores. Y a muchos astrónomos no les gusta la idea porque es esencialmente un cambio arbitrario en la dinámica newtoniana.
Por esta razón, a medida que la controversia sobre la dinámica newtoniana modificada versus la materia oscura ha tenido altibajos, los astrónomos han tendido a favorecer la idea de la materia oscura.
Pero eso ahora puede cambiar gracias al trabajo de Jonathan Oppenheim y Andrea Russo del University College London, quienes han descubierto por qué la idea MOND de Milgrom podría ser cierta después de todo. Esto proporciona a MOND una base teórica que aumentará su atractivo para astrónomos y físicos.
El nuevo trabajo se basa en una idea que Oppenheim propuso hace varios años para conciliar la incompatibilidad entre dos de los grandes fundamentos de la física moderna: la mecánica cuántica y la relatividad general.
La mecánica cuántica gobierna el comportamiento del universo en las escalas más pequeñas, mientras que la relatividad opera en las escalas más grandes. Pero el carácter de estas teorías es completamente opuesto: la mecánica cuántica sugiere que el universo es de naturaleza probabilística, mientras que la relatividad implica que es completamente clásico.
Esto plantea un dilema a la hora de derivar una teoría de la gravedad cuántica, que los físicos aún tienen que resolver.
La idea de Oppenheim es que la relatividad es clásica pero fundamentalmente estocástica, lo que quiere decir que tiene un carácter aleatorio, bastante parecido al movimiento browniano, el movimiento aleatorio de una partícula suspendida en un fluido. Esto permite combinar la mecánica cuántica y la relatividad de una manera matemáticamente compatible.
Una consecuencia del nuevo enfoque es que, a escala humana, la gravedad es enteramente newtoniana, tal como observan los físicos. Pero otra es que a escalas galácticas, la aceleración debida a la gravedad puede variar en una cantidad pequeña pero aleatoria, como si el espacio-tiempo estuviera provocando algún tipo de movimiento browniano en las masas que lo componen. Es esta naturaleza estocástica del espacio-tiempo la que genera la fuerza gravitacional adicional que mantiene unidas a las galaxias.
“Demostramos que este comportamiento estocástico conduce a una modificación de la relatividad general a bajas aceleraciones”, afirman. “En el régimen de baja aceleración, la variación en la aceleración producida por el campo gravitacional… actúa como una fuerza entrópica, provocando una desviación de la teoría de la relatividad general de Einstein”.
Que la fuerza
En otras palabras, la fuerza entrópica actúa como si fuera materia adicional. “La fuerza entrópica impulsada por una constante cosmológica estocástica puede explicar las curvas de rotación galáctica sin necesidad de evocar la materia oscura”, concluyen.
La similitud con la idea de Milgrom no pasa desapercibida para Oppenheim y Russo. De hecho, muestran que su idea produce predicciones similares a las de Milgrom. Y en lugar de ser una modificación arbitraria de la dinámica newtoniana, la nueva teoría es una consecuencia necesaria de combinar la relatividad y la mecánica cuántica en un solo marco.
Se trata de un trabajo interesante con un potencial significativo para futuros experimentos que pondrán a prueba la naturaleza de la dinámica newtoniana.
Pero Oppenheim y Russo recomiendan cautela. Señalan que hay otras razones más allá de la rotación galáctica para sugerir que existe materia oscura. Por ejemplo, la masa gravitacional de las galaxias distantes actúa como una lente al desviar la luz a su paso. Y el tamaño de esta curvatura sugiere que la materia oscura debe contribuir a esta masa.
Oppenheim y Russo dicen que antes de que su idea pueda ganar fuerza, es necesario estudiarla más a fondo, particularmente simulando el movimiento browniano del espacio-tiempo y sus efectos sobre la masa.
Esto proporcionará algunas horas felices de trabajo a los astrónomos. Puede resultar menos feliz para los experimentadores que han gastado miles de millones buscando evidencia de materia oscura aquí en la Tierra.
Ref: Contribución anómala a las curvas de rotación galáctica debido al espacio-tiempo estocástico: arxiv.org/abs/2402.19459