¿Cuál es la correlación entre la materia oscura y los anillos de Einstein?

Question

Una vez escuché una charla TED sobre la materia oscura, los anillos de Einstein y las lentes de gravitación. http://ed.ted.com/lessons/patricia-burchat-sheds-light-on-dark-matter

Creo que no he entendido bien la charla. Por eso tengo tres preguntas: Se dijo que las estrellas de una galaxia giran alrededor de su centro. También se dijo, que uno podría esperar que las estrellas se muevan más lentamente cuanto más lejos estén de su centro. Sin embargo, tengo dos puntos de vista diferentes sobre esto: En primer lugar, recuerdo los Merry-go-rounds en los que las partes exteriores se mueven más rápido que las interiores, creo que este punto de vista no es aplicable, porque las partes se mueven mecánicamente y su movimiento son círculos fijos, etc. En segundo lugar recuerdo el Programa Espacial de Kerbal que emula hasta cierto punto nuestro sistema solar y el movimiento de los objetos en él. No creo que las estrellas, sistemas solares etc. se muevan en círculo alrededor del centro de la galaxia, quizás en una elipse o si estás más cerca del centro de alguna otra forma extraña. Hay algunos efectos de la gravitación funcionando, no sé cuál, pero bueno supongo que ahí la trayectoria de los objetos ya no sería una elipse. Sin embargo se puede ver claramente en KSP que los objetos se ralentizan, si se alejan del centro y luego son arrastrados hacia atrás y acelerados, si han pasado el punto de giro y esto se repite una y otra vez. Sin embargo, en la charla TED se dijo que todos los objetos se mueven a la misma velocidad... y eso me resulta difícil de creer, porque esto echaría por tierra mi segundo punto de vista. Así que supongo que, o bien la afirmación de la charla es errónea, o bien la he entendido mal.

Segunda pregunta: Se demostró que la materia oscura rodea a las galaxias en forma de esfera. ¿Por qué demonios debería ser una esfera? Trato de imaginar un escenario después del Big Bang, cuando la materia oscura tuvo la oportunidad de formar "planetas", objetos redondos. Lo único que puedo imaginar es que esas esferas sean en realidad planetas de materia oscura y que pertenezcan a un sistema solar de objetos de materia oscura y a una galaxia de objetos de materia oscura, etc. etc. Tan intrigante que parece, menos probable lo tengo.

3ª Pregunta, yo también pensaría, que las burbujas gigantes de materia oscura distorsionan los Anillos de Einstein, sin embargo parece que se pueden explicar completamente con el punto de vista estándar de la gravitación, etc.
No encontré esa charla demasiado informativa o intuitiva, sin embargo es interesante y me gustaría entender mejor las cosas, así que si alguien tiene información sobre esos temas o fuente que pueda proporcionar, estaría muy feliz, si esa persona los comparte.

Answer 1

Primera pregunta

Comparar una galaxia (o sistemas solares) con un tiovivo no es una buena comparación. La aceleración en un tiovivo es proporcional a la distancia del centro del tiovivo, pero la aceleración en un sistema de masa central es inversamente proporcional a la distancia del centro. Los sistemas solares de una sola estrella son muy cercanos a los sistemas de masa central. Por ejemplo, la velocidad orbital de Plutón es un orden de magnitud menor que la de Mercurio. Las galaxias no son exactamente sistemas de masa central, pero su apariencia visual es mucho, mucho más cercana a la de un sistema de masa central que a la de un tiovivo.

Observar la luminosidad determinaría la distribución de la masa en una galaxia si casi toda la masa de una galaxia estuviera concentrada en las estrellas que la componen. Esta distribución de la masa dictaría a su vez cómo varían las velocidades con la distancia desde el centro de la galaxia.

Este no es el perfil de velocidad que ven los astrónomos. Ni siquiera se acerca. Este es el problema de la rotación galáctica. Este es un problema muy profundo. Hay muy pocas maneras de salir de este enigma.

Una posibilidad es que haya mucha materia ordinaria que no podemos ver, y que esta materia ordinaria invisible esté distribuida de forma bastante diferente a las estrellas. Esta es la hipótesis de la materia oscura bariónica. Hay dos problemas con esta vía. Uno de ellos es que todas las formas de materia ordinaria invisible en las que los científicos pueden pensar (por ejemplo, el gas interestelar, las enanas marrones, los planetas rebeldes), deberían estar estrechamente correlacionadas con la densidad de las estrellas.El otro problema es que esto no encaja con la cosmología del Big Bang. Invocar la materia oscura bariónica para resolver el problema de la rotación galáctica añade más problemas de los que resuelve.

Una segunda posibilidad es que nuestro modelo de gravitación sea fundamentalmente defectuoso. La mayoría de los científicos no quieren seguir este camino. Unos pocos sí. Las teorías modificadas de la gravitación no son la corriente principal de la física (pero definitivamente no son una locura). Estas teorías modificadas de la gravitación presentan una serie de problemas (por ejemplo, la Galaxia Bala). Sin embargo, los defensores de las teorías de la gravedad modificada están muy contentos de señalar que también hay problemas con las otras alternativas.

La hipótesis dominante es que existe alguna forma de materia oscura no bariónica que sobrepasa la materia bariónica que conocemos. "Materia oscura" significa simplemente materia que no se puede ver. No podemos ver la materia oscura bariónica, como las enanas marrones y los planetas rebeldes en una galaxia lejana. La materia oscura no bariónica no es sólo materia que no podemos ver, sino también materia que funciona según leyes físicas hasta ahora desconocidas.

Segunda pregunta

La mayoría de las hipótesis sobre la materia oscura no bariónica suponen que ésta interactúa únicamente a través de la gravitación. La materia oscura tendrá naturalmente una distribución esférica de la masa si ese es el caso. Además, como los científicos no tienen la menor idea de lo que es la materia oscura, lo mejor es hacer las suposiciones más simples posibles sobre ella. Esa suposición más simple es una distribución esférica desconocida de la masa que resuelve el problema de la rotación galáctica. Es la suposición de la vaca esférica canónica. Cualquier cosa que vaya más allá de esa suposición de la vaca esférica invoca una física aún más desconocida.

Tercera pregunta

Una masa puntual extremadamente masiva que es mucho, mucho más grande que el mayor agujero negro supermasivo que se haya imaginado daría lugar a un anillo de Einstein extremadamente agudo. Los astrónomos no ven eso. Eso es consistente con el hecho de que los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias no son más que una pequeña fracción de la masa total de la galaxia. Una distribución de masa desigual (por ejemplo, una galaxia espiral cuya masa está gobernada por la materia bariónica visible) daría lugar a un anillo de Einstein bastante distorsionado. Los astrónomos tampoco lo ven. Una distribución esférica de la masa dará un bonito y limpio anillo de Einstein. Ese es el tipo de anillos de Einstein que los astrónomos sí ven.

Al hacer esta tercera pregunta, has pasado por alto uno de los puntos clave de la citada charla TED. Si la teoría de la gravitación de Einstein es correcta, los anillos de Einstein que ven los astrónomos son una medida de la cantidad total de masa de la galaxia intermedia que crea los anillos. Esta desviación observada es incompatible con la masa implícita en la luminosidad de la galaxia intermedia. Los anillos de Einstein constituyen una prueba más de la existencia de materia oscura no bariónica.