Fundamentos experimentales del argumento "si no, las galaxias no se mantendrían unidas" de la materia oscura

Question

Sobre la cuestión de la motivación y las pruebas de la materia oscura, hay algunas respuestas esclarecedoras (por así decirlo) en este sitio. Me gustaría entender en detalle los fundamentos de una de las líneas de razonamiento, tal y como se expone sucintamente en esta respuesta :

...las estrellas dentro de las galaxias se mueven más rápido que la velocidad de escape de la atracción gravitacional del centro de masa de la galaxia...

Si tuviera que intentar descifrar esto, podría decir algo como lo siguiente:

1. Existe una fórmula para la velocidad de escape, basada en las leyes clásicas de la física, que debería ser válida para medir la rotación de una galaxia (es decir, la corrección de la relatividad general no cambiaría la conclusión que buscamos ). $$ v = \sqrt(2GM/r) $$

2. Sin embargo, existen otras técnicas para medir M , v y r .

   • M puede medirse indirectamente a través del relación masa-luminosidad
   • v (aquí la velocidad de las estrellas más externas de la galaxia) y r (el radio de la galaxia) puede inferirse, a través del efecto Doppler, midiendo el corrimiento al rojo de la galaxia (y alguna otra medida, supongo).

3. La fórmula de la velocidad no cuadra cuando se conectan las mediciones. Por lo tanto, podemos suponer que, o bien una de las mediciones es incorrecta, o bien la fórmula de la velocidad de escape es incorrecta.

4. El candidato más probable es que la medición de la masa sea incorrecta, concretamente porque la relación masa-luminosidad no es válida. La teoría es que una parte de la masa no interactúa con la luz.

¿Estoy en lo cierto, a grandes rasgos, que lo anterior es el argumento para la existencia de la materia oscura? Estoy buscando los bloques de construcción del argumento, su fundamento en términos de mediciones y teorías. (Y entiendo que el caso de la materia oscura radica en una convergencia de varias líneas de evidencia, pero estoy tratando de envolver mis brazos alrededor de sólo este por ahora).

Answer 1

El esquema es bastante bueno, pero hay algunos puntos que debo mencionar.

Primero, tienes razón: Las correcciones de la RG no resuelven la discrepancia.

En segundo lugar, la descripción de la masa-luminosidad que has enlazado es sólo para las estrellas de la secuencia principal. La secuencia principal se define como la fase de la vida de una estrella en la que la fusión nuclear del hidrógeno impulsa la estrella. Antes y después de esta fase las cosas son muy diferentes. Además, hay mucho gas y polvo ordinario flotando entre las estrellas, lo que se conoce como medio interestelar . Así que convertir la luminosidad de una galaxia en una masa de "materia" conocida es un poco más complicado. Hay que estar seguro de que no hay modelos plausibles de estrellas o polvo que puedan explicar la discrepancia.

En cuanto a la medición del radio y la velocidad: El radio se obtiene a partir de la separación angular junto con una distancia a la galaxia (obtenida con estrellas especialmente brillantes y bien conocidas, o quizás supernovas, o alguna otra técnica). Y sí, la velocidad se obtiene simplemente a partir del desplazamiento Doppler. Por supuesto, se trata de una velocidad a lo largo de la línea de visión; puede ser necesario añadir un factor que tenga en cuenta la inclinación de la rotación de la galaxia (esto sólo hará que la velocidad real sea más grande que la velocidad de la línea de visión, por lo que aumenta la discrepancia).

[Detalle menor: los astrónomos no suelen medir una sola velocidad y compararla con la velocidad de escape. En su lugar, utilizan la distribución de masas supuesta para obtener la velocidad circular -la velocidad de una órbita circular- en función del radio. A continuación, trazan esta curva teórica junto con los puntos de datos en un rango de radios. Un esquema de cómo suele ser esto se muestra en este artículo . Esto nos dice no sólo que falta materia, sino también algo sobre su distribución. En particular, no parece agruparse cerca del centro de la galaxia, como cabría esperar de la materia "normal" que puede experimentar el arrastre y otras fuerzas mediadas por el electromagnetismo].

En tercer lugar, se podría ser que las galaxias no están en equilibrio, y nosotros pasar de observarlas como un montón de estrellas al azar fusionadas en estructuras engañosamente organizadas que se desprenderán en un futuro próximo. No es muy probable, pero es importante entender cuáles son sus supuestos.

Finalmente, todo lo que se puede concluir realmente, como ha señalado, es que su luminosidad $\to$ la conversión masiva no ha funcionado. Esto sí no significa que absolutamente tiene que haber alguna nueva forma exótica de materia. Las pruebas más convincentes de ello provienen de la cosmología, como se señala en la respuesta aceptada a la pregunta que enlazaste al principio. La cuestión es que es muy fácil pensar en formas en las que la materia normal se "esconde" hoy en día, como estar oculta por el polvo o encerrada en cuerpos planetarios fríos no ligados a ninguna estrella. Sin embargo, si la materia que nos falta interactuara con la luz, sin duda lo habría hecho en el universo primitivo y, de hecho, la existencia de esa materia oscura es necesaria para que nuestros modelos cosmológicos estándar coincidan con la realidad.