¿Son creíbles las teorías modificadas de la gravedad?

Question

Soy un estadístico con un poco de formación en física y me gustaría saber el consenso general sobre algunas cosas.

Estoy leyendo un libro de John Moffat que básicamente trata de exponer cómo la RG hace predicciones fallidas en ciertas situaciones. Sé que la RG está muy probada, pero imagino que todos los físicos son conscientes de que no siempre se sostiene.

El libro trata de proponer teorías modificadas de la gravedad que prescinden de la materia y la energía oscuras para que la RG coincida con las observaciones del mundo real. (es decir, la velocidad de las rotaciones de las galaxias, etc.)

¿Son creíbles las teorías modificadas de la gravedad?

¿Es la energía/materia oscura el "éter" del siglo XX/21? ¿Es posible que los científicos estén buscando algo que sencillamente no existe y que haya fuerzas fundamentales desconocidas en juego? ¿Cuál es la mejor prueba de su existencia, aparte de las observaciones basadas en la grupo "bala ?

Cualquier idea sería genial. Saludos :)

Answer 1

¡Excelente pregunta!

En resumen, hay dos posibilidades lógicas para explicar los datos:

1. Hay materia oscura y una constante cosmológica (modelo estándar)
2. Hay que modificar la gravedad

Curiosamente, ambas posibilidades tienen precedentes históricos:

• El descubrimiento de Neptuno (por Johann Gottfried Galle y Heinrich Louis d'Arrest) un año después de su predicción de Urbain le Verrier fue un éxito para la idea de la materia oscura.
  (Por supuesto, tras su descubrimiento por parte de los astrónomos dejó de ser oscuro...)
• El no descubrimiento de Vulcano fue el fracaso de la idea de la materia oscura - en cambio, la gravedad tuvo que ser modificada de Newton a Einstein.
  (Curiosamente, Vulcano fue observado por Lescarbault un año después de su predicción por Urbain le Verrier, pero esta observación nunca fue confirmada por nadie más).

Así que, básicamente, se está preguntando: ¿estamos en un escenario de Neptuno o de Vulcano? ¿Y no podría ser más creíble el escenario Vulcano?

La respuesta más probable parece ser que no. Las modificaciones de la gravedad que parecen explicar las curvas de rotación galáctica suelen entrar en conflicto con las pruebas de precisión del sistema solar (donde la teoría de Einstein funciona extraordinariamente bien) o son complicadas y menos predictivas que la teoría de Einstein (como TeVeS) o no son teorías para empezar (como MOND).

Además de las pruebas gravitacionales de la materia oscura, también hay pruebas indirectas procedentes de la física de partículas. Por ejemplo, si se cree en la Gran Unificación, hay que aceptar también la supersimetría para que las constantes de acoplamiento se fusionen en un punto a escala GUT. Entonces tienes un candidato natural a la materia oscura, la partícula supersimétrica más ligera. También hay otras predicciones de la física de partículas que conducen a candidatos a materia oscura, como los axiones. Así que la cuestión es que no faltan candidatos a materia oscura (más bien, hay una abundancia de ellos) que pueden ser responsables de las curvas de rotación galáctica, la dinámica de los cúmulos, la formación de estructuras, etc.

Obsérvese también que el Modelo Estándar de la Cosmología es un modelo bastante preciso (a nivel de porcentaje), y requiere alrededor de un 23% de materia oscura. Hay muchas mediciones independientes que han escudriñado este modelo (anisotropías del CMB, datos de supernovas, cúmulos, etc.), así que tenemos una confianza razonable en su validez.

En cierto sentido, la mejor prueba de la materia oscura es quizás la falta de buenas alternativas.

Aun así, mientras la materia oscura no se detecte directamente a través de algún experimento de física de partículas/astropartículas, es científicamente sensato intentar buscar alternativas (me declaro culpable en este sentido). Sólo parece dudoso que alguna alternativa ad hoc pase todas las pruebas de observación.

Answer 2

Los nombres en la teoría de las categorías suelen nacer cuando alguien se da cuenta de que un concepto de un tema concreto puede generalizarse de forma categórica. El concepto definido de forma generalizada recibe entonces el nombre del concepto original definido de forma restringida.

El caso de los espacios métricos proporciona un ejemplo ligeramente notorio. Como ya se ha comentado en ese otra pregunta Los espacios métricos pueden verse como un ejemplo de categorías enriquecidas. Así, dado cualquier concepto de la teoría de los espacios métricos, se puede intentar generalizarlo al contexto de las categorías enriquecidas. Esto ocurrió con la propiedad de integridad de los espacios métricos, que podríamos llamar Completitud de Cauchy ya que se trata de secuencias de Cauchy. Este concepto resulta generalizarse muy suavemente a las categorías enriquecidas, y ser una propiedad útil e importante allí.

Muchos llaman a esta propiedad "completitud de Cauchy" también en el contexto general de las categorías enriquecidas. Sin embargo, una minoría significativa no está de acuerdo con esta elección, ya que considera que se está extendiendo demasiado la terminología. Por ejemplo, cuando se aplica a las categorías ordinarias ( Establecer -enriquecidas), la propiedad simplemente dice que todo morfismo idempotente en la categoría se divide. Esto no se "siente" como la condición de completitud en los espacios métricos. Así que también hay otros nombres en vigor, como "Karoubi completo" (especialmente popular en la escuela francesa).

Es cierto que muchas piezas de la terminología categórica provienen del análisis, pero quizá todo eso diga que el análisis es un tema antiguo y venerable. Exactamente es otro ejemplo. Se utiliza para significar varias cosas ligeramente diferentes en la teoría de categorías, pero el uso más común es que un functor es "exacto por la izquierda" si preserva los límites finitos. Eso viene del álgebra homológica, donde se habla de secuencias exactas; un functor entre categorías abelianas preserva las secuencias exactas de la izquierda si preserva los límites finitos. Y eso, a su vez, creo que viene de la terminología de las ecuaciones diferenciales.

Answer 3

Sí. Las teorías de la gravedad modificada son creíbles. Daniel Grumiller y Jerry Schirmer han señalado algunos de los argumentos en contra, pero también hay problemas profundos y potencialmente intratables con un enfoque de partículas de materia oscura. Además, el peso de las pruebas se ha desplazado a medida que los astrónomos, los físicos de partículas y los teóricos nos han proporcionado más pruebas relevantes y más ideas sobre cómo resolver el problema, incluso en los últimos años en esta área tan activa de investigación en curso.

Esto es así porque los fenómenos de la materia oscura constituyen el caso más llamativo que existe hoy en día en el que la combinación de la relatividad general y el Modelo Estándar de la Física de Partículas simplemente no puede explicar la evidencia empírica sin algún tipo de física nueva.

1. Cualquier teoría viable de la materia oscura tiene que ser capaz de explicar por qué la distribución de la materia luminosa en una galaxia predice los fenómenos observados de la materia oscura de forma tan ajustada y con tan poca dispersión en múltiples aspectos como curvas de rotación y tamaños de bulto . Estas relaciones persisten incluso en casos que en una teoría no gravitacional no deberían mantenerse de forma natural. Por ejemplo, nebulosas planetarias galaxias elípticas de rotación lejana muestran la misma dinámica de las estrellas en la periferia de las galaxias espirales. Del mismo modo, estas relaciones persisten en galaxias ricas en gas y galaxias enanas (que tienen como predicción alrededor del 0,2% de materia ordinaria si la RG es correcta en un universo que es en general un 17% de materia oscura) a pesar de que están más allá del alcance de los datos utilizados para formular las teorías.

Uno de los esfuerzos recientes más exitosos para reproducir la relación bariónica Tully-Fischer con modelos MDL es el de L.V. Sales, et al., " El extremo de baja masa de la relación bariónica Tully-Fisher " (5 de febrero de 2016). Explica:

[La literatura está llena de intentos fallidos de reproducir la relación relación Tully-Fisher en un universo frío dominado por la materia oscura. Las simulaciones directas de formación de galaxias de de formación de galaxias, por ejemplo, han producido durante muchos años han producido sistemáticamente galaxias tan masivas y compactas que su curvas de rotación eran muy descendentes y, por lo general, no coincidían con observación. Incluso los modelos semi-analíticos, en los que las masas y tamaños de las galaxias pueden ajustarse para que coincidan con la observación, han tenido dificultades para reproducir la relación Tully-Fisher, y suelen predecir velocidades con una masa masa que son significativamente más altas que las observadas, a menos que se realicen que se realicen ajustes algo arbitrarios en la respuesta del halo oscuro.

El documento consigue simular la relación Tully-Fisher sólo con un modelo que tenga dieciséis parámetros cuidadosamente "calibrada para ajustarse a la función de masa estelar de las galaxias observadas y a los tamaños de las galaxias a z = 0" y "elegida para asemejarse a los alrededores del Grupo Local de Galaxias", sin embargo, sigue luchando por reproducir los ajustes de un solo parámetro del modelo de juguete MOND de hace tres décadas. Cualquier conjunto de datos puede ser descrito por casi cualquier modelo siempre que tenga suficientes parámetros ajustables.

Gran parte de la mejora con respecto a los modelos anteriores se debe a los esfuerzos por incorporar la retroalimentación entre la materia bariónica y la materia oscura en los modelos, pero esto se ha hecho generalmente de una manera más ad hoc que firmemente arraigada en una teoría rigurosa o en observaciones empíricas de los procesos de retroalimentación en acción.

Uno de los problemas más intrincados de las simulaciones basadas en un modelo de partículas de materia oscura que se ha señalado, por ejemplo, en Alyson M. Brooks, Charlotte R. Christensen, " Formación de protuberancias mediante fusiones en simulaciones cosmológicas " (12 nov 2015) es que su modelo de ensamblaje de galaxias y masas subestima dramáticamente la proporción de galaxias espirales en el mundo real que no tienen bulbo, lo cual es una dificultad inherente al proceso por el cual las proporciones de materia oscura y materia bariónica se correlacionan en los modelos de partículas de materia oscura que no son un problema para los modelos de gravedad modificada. Señalan que:

[También demostramos que es muy difícil que la actual retroalimentación estelar los modelos actuales de retroalimentación estelar reproducir los pequeños abultamientos observados en galaxias de disco más masivas disco más masivo como la Vía Láctea. Argumentamos que los modelos de retroalimentación necesitan mejorar los modelos de retroalimentación, o que es necesaria una fuente adicional de retroalimentación, como el AGN, para generar los flujos de salida requeridos. para generar los flujos de salida requeridos.

La relatividad general no proporciona naturalmente ese mecanismo de retroalimentación.

2. El hecho de que sea posible explicar prácticamente todas las curvas de rotación de las galaxias con un solo parámetro implica que cualquier teoría de la materia oscura tampoco puede ser demasiado compleja, porque de lo contrario se necesitarían más parámetros para ajustarse a los datos. Las relaciones que las teorías de la gravedad modificada muestran que existen son reales, sea o no real el mecanismo propuesto que da lugar a esas relaciones. Una teoría de la materia oscura no debería tener más grados de libertad que una teoría de modelo de juguete que pueda explicar los mismos datos. El número de grados de libertad que se necesita para explicar un conjunto de datos es insensible a la naturaleza particular subyacente de la teoría correcta para explicar esos datos.

Además, aunque no tengo referencias a mano en este momento, las primeras simulaciones de materia oscura revelaron rápidamente que los modelos con un tipo primario de materia oscura se ajustan a los datos mucho mejor que aquellos con múltiples tipos de materia oscura que contribuyen significativamente a estos fenómenos.

Este requisito de simplicidad reduce en gran medida la clase de candidatos a materia oscura que hay que considerar y, por tanto, el número de teorías viables de partículas de materia oscura con las que debe competir una teoría de la gravedad modificada en un concurso de credibilidad.

3. Las observaciones astronómicas han impuesto restricciones bastante estrictas al espacio de parámetros de la materia oscura. Alyson Brooks, " Reexaminando las limitaciones astrofísicas del modelo de la materia oscura " (28 de julio de 2014). Estos descartan prácticamente todos los modelos de materia oscura fría, excepto la "materia oscura cálida" (WDM) (con una masa a escala de keV que está en la parte inferior del rango permitido por el modelo lamdaCDM) y la "materia oscura autointeractiva" (SIDM) (que escapa a los problemas que de otro modo plagan los modelos de materia oscura fría con una quinta fuerza que solo actúa entre partículas de materia oscura que requiere al menos un fermión más allá del Modelo Estándar y una fuerza más allá del Modelo Estándar llevada por un nuevo bosón masivo con una masa del orden de 1-100 MeV).

4. Los experimentos de detección directa (especialmente LUX) descartan cualquier candidato a materia oscura que interactúe a través de cualquiera de las tres fuerzas del Modelo Estándar (incluida la fuerza débil) a masas de hasta 1 GeV (también aquí ).

5. Otro golpe es la no detección de firmas de aniquilación y desintegración. Los prometedores datos de la observación del centro galáctico por el satélite Fermi se han descartado en gran medida como firmas de materia oscura en Samuel K. Lee, Mariangela Lisanti, Benjamin R. Safdi, Tracy R. Slatyer y Wei Xue. "Evidencia de fuentes puntuales de rayos gamma no resueltas en la galaxia interior". Phys. Rev. Lett. (3 de febrero de 2016). Y, los indicios de lo que parecía una señal de aniquilación de materia oscura caliente también han probado para ser una falsa alarma .

6. El Experimento CMS en el LHC descarta una clase significativa de candidatos a materia oscura WIMP de baja masa, mientras que otros resultados del LHC excluyen esencialmente todos los posibles candidatos supersimétricos a materia oscura. Si las partículas SUSY existen, serían demasiado pesadas para constituir materia oscura cálida (casi todos los tipos de partículas SUSY son excluidos hasta unos 40 GeV por el LHC, lo cual es demasiado pesado) y también carecerían del tipo de fuerza de autointeracción adecuada dentro de un contexto SUSY para ser un candidato a SIDM. Esto tiene implicaciones particularmente amplias porque SUSY es la teoría efectiva de baja energía de casi todas las teorías GUT populares y de las vacuas viables de la teoría de cuerdas.

7. Mientras que MOND requiere materia oscura en los cúmulos galácticos, incluyendo el caso particularmente desafiante del cúmulo de la bala, este defecto no es compartido por todas las teorías de la gravedad modificada (ver, por ejemplo, aquí y aquí ). Muchas de las teorías que pueden explicar con éxito el cúmulo de balas son capaces de hacerlo sobre todo porque la colisión puede descomponerse en componentes de gas y galaxia que tienen efectos independientes entre sí bajo las teorías en cuestión. El cúmulo de balas es también una de las principales limitaciones del espacio de parámetros de SIDM (que básicamente modifica la gravedad, pero lo hace en el sector oscuro, limitando esas modificaciones sólo a las partículas de materia oscura), y es difícil de cuadrar con las teorías de partículas de materia oscura.

8. Es posible en una teoría de la gravedad modificada pero muy desafiante en una teoría de partículas de materia oscura, para explicar por qué la relación masa/luminosidad de las galaxias elípticas varía por un factor de cuatro, sistemáticamente basado en el grado en que son esféricas o no.

9. Muchas de las propuestas de gravedad modificada lo suficientemente maduras como para que se preste atención a su ajuste a los datos cosmológicos también pueden cumplir esa prueba. Véase, por ejemplo aquí .

10. En resumen, aunque una hipótesis sobre la materia oscura puede explicar por sí sola la materia aparentemente ausente en una situación determinada, para conseguir una teoría descriptiva, es necesario poder describir la forma tan específica en que se distribuye en el universo en relación con la materia bariónica del mismo, idealmente de forma que prediga nuevos fenómenos, en lugar de limitarse a postular los resultados ya observados que entraron en la formulación del modelo.

Las teorías de la gravedad modificada han sido repetidamente predictivas, mientras que las teorías de la materia oscura aún no han averiguado cómo distribuirla adecuadamente por el universo sin "hacer trampas" en la forma en que se configuran los modelos que las prueban, y no han logrado hacer ninguna predicción correcta de nuevos fenómenos por debajo de la escala de la radiación cósmica de fondo de microondas de la cosmología.

Conclusión:

Para que quede claro, no estoy afirmando que la gravedad modificada sea realmente la explicación correcta de todos o alguno de los fenómenos atribuidos a la materia oscura, ni estoy afirmando que ninguna de las teorías de la gravedad modificada que circulan actualmente sean realmente descripciones correctas de la Naturaleza.

Pero, los ejemplos de teorías de gravedad modificada que tenemos son suficientes para dejar claro que algún tipo de teoría de gravedad modificada es una posible solución creíble al problema de los fenómenos de la materia oscura.

También es una solución más creíble de lo que solía ser, porque los argumentos a favor de las teorías más populares sobre las partículas de materia oscura se han vuelto cada vez menos convincentes a medida que se han descartado varios tipos de candidatos a materia oscura y a medida que más datos han reducido el espacio de parámetros disponible para los candidatos a materia oscura. El "milagro WIMP" que motivó muchas de las primeras propuestas de materia oscura ha muerto.

Aunque esta respuesta no revisa exhaustivamente todos los posibles candidatos a materia oscura y los descarta de forma afirmativa (lo que está fuera del alcance de la pregunta), sí deja claro que ninguna de las soluciones fáciles que se esperaban ampliamente en el siglo XX ha sobrevivido a la prueba del tiempo en 2016. En los últimos seis años, más o menos, sólo han sobrevivido unas pocas teorías viables sobre partículas de materia oscura, mientras que se han desarrollado innumerables nuevas teorías de gravedad modificada que no se han descartado.