La materia oscura es un componente integral del más favorecido modelo cosmológico actual, en el cual el 90 % de la materia del Universo está compuesta por masivas partículas ("frías" ), las cuales interactúan sólo a través de la gravedad. El modelo se llama Lambda-Cold Dark Matter (ΛCDM), con Λ denotando una constante cosmológica (a veces llamada "energía oscura" ) que acelera la expansión en los últimos tiempos cosmológicos. Un impresionante conjunto de observaciones se ajustan a esta imagen, desde el espectro de las fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas (la primera emisión de fotones libres en el Universo, por ejemplo, ver [ aquí ]), a la luminosidad de las supernovas distantes [más información aquí y aquí ] . La comunidad de astrofísicos ha adoptado el ΛMDL, como el modelo cosmológico estándar, el cuál hace que la naturaleza de la materia oscura sea una de las cuestiones pendientes más importantes en el campo de la astrofísica.
Pero no todos los cosmólogos están contentos con esta imagen. Algunos se sienten incómodos con los componentes desconocidos en el modelo estándar, y les preocupa que la cosmología en los últimos 30 años se ha degradado a "nombrar lo desconocido" (por ejemplo, [ver aquí ], pero ver también [aquí ]). En las galaxias espirales, al menos, una alternativa a la invocación de la materia oscura es modificar la teoría de la gravedad en las regiones donde hay una discrepancia entre la masa inferida de la dinámica (utilizando la gravedad normal) y la masa bariónica (es decir, el censo de material normal detectado en las estrellas y el gas). El mayor éxito de estas ideas es MOND (Dinámica Newtoniana Modificada [ ver aquí ]), la cual modifica la gravedad en pequeñas aceleraciones para producir curvas de rotación galácticas planas. Para aceleraciones gravitacionales (a) menores que un valor crítico a0 , la relación habitual de Newton F=ma es modificada a F=ma2/a0 y por lo tanto la velocidad circular alrededor de una masa M se aproxima asíntóticamente a un valor constante vf=(GMa0)1/4. Una vez que la constante universal a0 se fija observacionalmente, MOND explica las formas de la curva de rotación de las galaxias con solo su masa bariónica, al mismo tiempo que representa la correlación observada entre sus velocidades de rotación y luminosidad.
Por construcción, MOND requiere que la masa bariónica de una galaxia sea proporcional a la cuarta potencia de su velocidad circular es decir Mb∝vf4. Una verificación independiente de esta relación es poco práctica en las galaxias espirales típicas en las cuales las estrellas dominan la masa bariónica, porque es difícil inferir de forma fiable la masa total estelar M* . Aunque la mayoría de la luz en una galaxia proviene de las estrellas masivas, la mayoría de la masa estelar en la galaxia se esconde dentro de las estrellas débiles de poca masa. Para estimar la masa estelar de una galaxia a partir de la cantidad de luz que emite, se necesita un modelo que combine la bien entendida física estelar con las estimaciones de la distribución de la masa y edad de las estrellas en la galaxia. Estos modelos existen (por ejemplo, [ver aquí ]), pero sufren de importantes incertidumbres sistemáticas que se pueden correlacionar con la masa. Para evitar estas incertidumbres, uno se ve obligado a invocar a MOND para medir M* a partir de las curvas de rotación de galaxias, que impone la relación Mb∝vf4 a los datos. En este escenario esta relación no es una predicción de MOND, sino más bien una consecuencia de la imposición de MOND para obtener Mb desde el principio.
imágen compuesta de la galaxia espiral enana rica en gas IC 2574.El gas atómico está representado en azul,las estrellas vieja están en naranja y las estrellas jóvenes se muestran en púrpura.La barra verde horizontal muestra una escala física de 15000 años luz esto corresponde aproximadamente a la mitad de la distancia entre el sol y el centro de la Vía Láctea.IC 2574 no forma parte del estudio de McGaugh pero ella ilustra como la masa bariónica de algunas galaxias es completamente dominada por el hidrógeno atómico.Credito: Courtesy of the THINGS survey team.
En un artículo en Physical Review Letters [ver aquí ], Stacy McGaugh en la Universidad de Maryland, EE.UU., sugiere que para una clase de galaxias con masas estelares que se ven compensadas por sus masas de gas atómico(por ejemplo, ver imágen ), la relación Mb∝vf4 puede ser utilizada para probar la validez de MOND. A diferencia de las masas estelares, las masas de gas atómico son fáciles de medir usando la línea de "21 cm ", una línea de emisión en una longitud de onda de descanso de 21 cm (observable con radio telescopios ), que es producida por la transición hiperfina spin-flip del estado fundamental del hidrógeno atómico. Dado que el gas de hidrógeno atómico es el principal contribuyente a Mb en estas galaxias, las incertidumbres sistemáticas en las masas estelares carece de importancia. Mb y vf por lo tanto pueden ser medidos de forma independiente por cualquier teoría cosmológica o de la gravedad y ser utilizados para probar MOND.
McGaugh recoge en la literatura una muestra de 47 galaxias ricas en gas, para las cuales recientes observaciones de la línea espectral de 21 cm proporcionan estimaciones fiables tanto de la masas de gas atómico (la cual se combina con modelos de masas de población estelar para producir Mb) y sus asintóticamente planas velocidades de rotación vf . Estos datos muestran una impresionante similitud, con la predicción de MOND de Mb∝vf4, y también está de acuerdo con el parámetro de aceleración de a0 necesario para adaptar las curvas de rotación de las galaxias dominadas por estrellas. McGaugh, además afirma, que los datos no tienen dispersión sobre la predicción de MOND más allá de los errores de medición. Esta afirmación parece ser prematura, debido a estadísticas incompletas, grandes incertidumbres de distancia (muchas de las masas de las galaxias se basan en distancias estimadas solamente), y otras realidades de observación no parecen haber sido tomadas en cuenta. Esto introduce sesgos en la escala observada y se ha demostrado que reduce la dispersión observada (por ejemplo,ver [ aquí ]). Estos sesgos muy probablemente no cambien significativamente la correlación observada, pero ponen duda en los detalles exactos, en particular la interpretación de la dispersión.
La relación Mb∝vf4 puede ser interpretada por el modelo ΛCDM, sólo con requerir una escala particular, entre las masas de materia oscura y bariónica de una galaxia (en concreto que la fracción detectable de bariones sea proporcional a la velocidad de rotación). Hay un bien conocido proceso astrofísico tal como la regeneración energética de la formación estelar que produce la tendencia cualitativa exacta, pero se requiere algún ajuste para que coincida con los detalles. Lo fácilmente que MOND explica la relación observada es un nuevo triunfo para el modelo en el contexto de estas galaxias ricas en gas.
Los resultados de McGaugh agregan una nueva faceta para el argumento de que MOND es mejor para explicar las galaxias que la cosmología estándar. Sin embargo, como admite McGaugh, MOND no pueden competir con el ΛCDM como una teoría cosmológica completa. Los intentos de generalizar MOND en una teoría relativista de la gravedad plenamente abundan, pero incluso la más prometedora como (Teves o tensor-vector-escalar [ ver aquí]) lucha para interpretar la combinación de observaciones a gran escala del Universo que el modelo ΛCDM explica muy bien. El ajuste requerido en MOND, sobre todo para explicar la dinámica de los cúmulos de galaxias, es más grave que el sufrido por el modelo ΛCDM para que coincida con las curvas de rotación de galaxias. Sabemos que la estándar pero mal entendida física bariónica, juega un papel importante en la configuración de las propiedades de las galaxias en el ΛCDM.La conciliación de MOND con los cúmulos de galaxias, por el contrario, requiere la invocación de cantidades significativas de materia perdida, la cual MOND fue concebido para evitar, en primer lugar.
La prueba propuesta por McGaugh es una crítica para MOND, y la aplicación de la misma a las galaxias ricas en gas observadas recientemente es una prueba importante del concepto. Una muestra ideal para esta prueba debería pronto estar al alcance de los estudios con la próxima generación de radio-telescopios que producirán grandes catálogos de espacialmente resueltas galaxias ricas en gas. Si MOND pasará o no otras pruebas en el futuro como McGaugh encontró en este trabajo se verá, pero es evidente que ningún escenario cosmológico viable es completo a menos que pueda explicar el éxito notable de la fenomenología MOND en las galaxias espirales.
más información aquí ,aquí y aquí
fuente de la información:
http://physics.aps.org/articles/v4/23
