Cómo explica la gravedad modificada el Cúmulo de la Bala

La gravedad modificada consiste en añadir nuevos campos clásicos a la gravitación de Einstein (por ejemplo, TeVeS/MOND). Su objetivo es explicar las observaciones astrofísicas y cosmológicas de la llamada materia oscura, pero sin añadir nuevos campos cuánticos al modelo estándar. El Cúmulo de la Bala, z=0.296, muestra efectos de lente gravitacional en regiones donde no hay materia bariónica (gas en forma de plasma observado con rayos X). Se suele presentar como una prueba de que hay materia oscura donde no hay materia bariónica. ¿Cómo se explica en gravedad modificada?

Los nuevos campos clásicos que añade la gravedad modificada están acoplados a la gravitación de Einstein, pero pueden tener una dinámica independiente. Por ello, estos nuevos campos clásicos podrían ser observados como efectos gravitacionales fuertes en lugares donde la gravitación de Einstein predice que debe haber efectos gravitacionales débiles (como donde hay muy poca materia bariónica). Esta es la manera más sencilla en la que la gravedad modificada explica el Cúmulo de la Bala y la existencia de efectos de lente gravitacional en ausencia de materia bariónica. Por cierto, en el Cúmulo de la Bala el centro de masas de la materia bariónica y del campo que genera el efecto de lente gravitacional están separados en 8 sigmas.

La mayoría de los físicos prefiere añadir nuevos campos cuánticos (partículas de materia oscura), ya que si se añaden nuevos campos clásicos habrá que cuantizarlos en una futura teoría cuántica de la gravitación. Por ello se suele afirmar que el Cúmulo de la Bala es una prueba empírica de la existencia de materia oscura, como titularon Douglas Clowe, Marusa Bradac, …, Dennis Zaritsky, “A direct empirical proof of the existence of dark matter,” Astrophysics Journal Letters (ApJL) 648: L109-L113 (2006), doi: 10.1086/508162, arXiv:astro-ph/0608407.

El origen de esta entrada es Sabine Hossenfelder, @skdh, “The Bullet Cluster as Evidence against Dark Matter,” BackReaction, 03 Jan 2017. Nos recuerda que las simulaciones por ordenador de las colisiones de cúmulos galácticos conducen a configuraciones como el Cúmulo de la Bala con muy baja probabilidad. Por tanto, los defensores de la gravedad modificada afirman que su excepcional existencia es un prueba en contra de la materia oscura, en lugar de a favor de ella. Por supuesto, se trata de un argumento poco firme.

[PS 15 Feb 2017] Recomiendo leer Xavier Calmet, Iberê Kuntz, “What is modified gravity and how to differentiate it from particle dark matter?” arXiv:1702.03832 [gr-qc]; en su artículo afirman que, por las razones argumentadas en esta entrada, es imposible diferenciar de forma experimental entre una gravedad modificada y nuevas partículas como responsables de la materia oscura (obviamente, mientras no se encuentren dichas partículas).

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Esta imagen de rayos X del telescopio espacial Chandra tiene sobreimpresa las líneas de contorno de la densidad de masa necesaria para explicar el efecto de lente gravitacional en el Cúmulo de la Bala (1E0657-56). En la zona de la bala, a la derecha, su luminosidad de rayos X es extremadamente alta. La razón es que su movimiento es supersónico (su velocidad se estima en ~ 4740 km/s, lo que implica un número de Mach ~3) y se produce una onda de choque que sobrecalienta el plasma. Las simulaciones por ordenador de las colisiones de cúmulos según el modelo cosmológico ΛCDM predicen velocidades máximas inferiores a ~ 2600 km/s. Además, no se observan ondas de choque tan bien delineadas. Por ello, las condiciones iniciales que dan lugar a algo similar al Cúmulo de la Bala son extremadamente excepcionales (Chiara Mastropietro, Andreas Burkert, “Simulating the Bullet Cluster,” MNRAS 389: 967-988 (2008), doi: 10.1111/j.1365-2966.2008.13626.x, arXiv:0711.0967 [astro-ph]; David Kraljic, Subir Sarkar, “How rare is the Bullet Cluster (in a ΛCDM universe)?” JCAP 04: 050 (2015), doi: 10.1088/1475-7516/2015/04/050, arXiv:1412.7719 [astro-ph.CO]).

El Cúmulo de la Bala sería todo un reto para el modelo cosmológico ΛCDM y su existencia podría contradecir la hipótesis de la materia oscura (Jounghun Lee, Eiichiro Komatsu, “Bullet Cluster: A Challenge to LCDM Cosmology,” Astrophysical Journal 718: 60-65 (2010), doi: 10.1088/0004-637X/718/1/60, arXiv:1003.0939 [astro-ph.CO]). Pero, por supuesto, también sería muy excepcional en las teorías de gravedad modificada tipo MOND (Garry W. Angus, Stacy S. McGaugh, “The collision velocity of the bullet cluster in conventional and modified dynamics,” MNRAS 383: 417-423 (2008), doi: 10.1111/j.1365-2966.2007.12403.x, arXiv:0704.0381 [astro-ph]). Por ahora las teorías tipo TeVeS/MOND no son capaces de explicar algo tan excepcional como el Cúmulo de la Bala, que puede seguir siendo usado como ejemplo en su contra.

Sin embargo, las estimaciones de la probabilidad para las condiciones iniciales en el modelo ΛCDM que dan lugar a la existencia del Cúmulo de la Bala cambian mucho de unas simulaciones a otras en función de las hipótesis usadas y de los parámetros iniciales de la colisión. De hecho, muchas estimaciones afirman que es raro, pero no tan excepcional. El modelo ΛCDM predice colisiones de cúmulos de alta velocidad similares al Cúmulo de la Bala (Robert Thompson, Romeel Davé, Kentaro Nagamine, “The rise and fall of a challenger: the Bullet Cluster in Λ Cold Dark Matter simulations,” MNRAS 452: 3030-3037 (2015), doi: 10.1093/mnras/stv1433, arXiv:1410.7438 [astro-ph.CO]). El Cúmulo de la Bala no es una anomalía cosmológica y, por tanto, no contradice el modelo ΛCDM (Craig Lage, Glennys R. Farrar, “The Bullet Cluster is not a Cosmological Anomaly,” JCAP 02:038 (2015), doi: 10.1088/1475-7516/2015/02/038, arXiv:1406.6703 [astro-ph.GA]).

Me gustaría destacar que lo anómalo del Cúmulo de la Bala no es que la materia oscura y la materia bariónica estén desacopladas y sus centros de masas no coincidan, sino la alta velocidad de la bala. Las simulaciones en el modelo ΛCDM de las colisiones entre cúmulos indican que sus halos de materia oscura se desacoplan de la materia bariónica. Como resultado sus centros de masa se separan de forma estadísticamente significativa en casi el 10% de las colisiones (J.G. Fernandez-Trincado, J.E. Forero-Romero, …, V. Motta, “The abundance of Bullet-groups in LCDM,” The Astrophysical Journal Letters 787: L34 (2014), doi: 10.1088/2041-8205/787/2/L34, arXiv:1404.5636 [astro-ph.CO]).

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Esta imagen óptica del Cúmulo de la Bala tiene sobreimpresa las líneas de contorno de la densidad de masa necesaria para explicar el efecto de lente gravitacional observado. Lo excepcional de este cúmulo solo se observa en imágenes con rayos X del gas ionizado (plasma) de alta temperatura. Afirmar que este cúmulo en colisión es la prueba más firme de la materia oscura fría es pecar de ingenuo. Como tampoco lo son las curvas de rotación de las galaxias espirales. A dichas escalas la materia oscura puede tener múltiples componentes (toda una familia de partículas), que den lugar a cierta proporción de componentes frías (CDM), cálidas (WDM) y calientes (HDM). De hecho, los neutrinos son partículas de materia oscura (caliente), aunque su contribución actual es despreciable a escala cosmológica. Para muchos físicos, que ya conozcamos unas partículas de materia oscura (los neutrinos) es un argumento a favor de la existencia de otras partículas de materia oscura aún por descubrir.

Lo que hay que recordar es que las pruebas más firmes de la existencia de la materia oscura son cosmológicas. Modificar la gravitación de Einstein añadiendo nuevos campos clásicos encuentra enormes dificultades a la hora de explicar las observaciones cosmológicas. La cosmología de precisión gracias al fondo cósmico de microondas es la prueba de fuego para las teorías de gravedad modificada, como TeVeS/MOND. Una prueba que aún no han superado con éxito.

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Para los despistados, la gravedad TeVeS (o Tensor/Vector/Escalar) fue introducida por Jacob Bekenstein en 2004. Se trata de la generalización relativista y covariante más firme de las ideas MOND de Mordehai Milgrom en 1983. Milgrom observó que las curvas de rotación galáctica observadas, entre otros, por Vera Rubin, podían ser explicadas modificando las leyes de Newton. Introdujo una aceleración mínima. En rigor, esta idea no es una teoría (en el sentido de esta palabra usado en física teórica). Tras varios intentos de construir una modificación de la gravitación de Einstein que predijera la idea MOND a escala galáctica, Bekenstein introdujo su teoría TeVeS (que evita los problemas de propagación superlumínica de intentos previos).

En la teoría TeVeS el campo gravitacional está descrito por tres campos acoplados, el tensorial asociado a la métrica de Einstein, g̅μν, un campo vectorial gravielectromagnético, A̅α con Bαβ=∂αβ − ∂βα, y un campo escalar ϕ. La métrica del espaciotiempo está dada por gμν= exp(−2ϕ) g̅μν−2 sinh(2ϕ) A̅μν. Más detalles sobre su lagrangiano y su estado actual en Jacob D. Bekenstein, “Tensor-vector-scalar-modified gravity: from small scale to cosmology,” Phil. Trans. R. Soc. A 369: 5003-5017 (2011), doi: 10.1098/rsta.2011.0282, arXiv:1201.2759 [astro-ph.CO]. Lo más relevante es que el mejor ajuste de los parámetros libres de la teoría TeVeS para explicar el espectro de anisotropías térmicas en el fondo cósmico de microondas (véase la figura de más arriba) descarta esta teoría por ser incompatible con las observaciones del telescopio espacial Planck de la ESA (Xiao-dong Xu, Bin Wang, Pengjie Zhang, “Testing the tensor-vector-scalar Theory with the latest cosmological observations,” Phys. Rev. D 92: 083505 (2015), doi: 10.1103/PhysRevD.92.083505, arXiv:1412.4073 [astro-ph.CO]; Masud Chaichian, Josef Kluson, …, Anca Tureanu, “Can TeVeS be a viable theory of gravity?” Phys. Lett. B 735: 322-326 (2014), doi: 10.1016/j.physletb.2014.06.036, arXiv:1402.4696 [hep-th]).

Entre los lectores de este blog habrá quien prefiera que la materia oscura sea explicable por una modificación de la gravitación. Incluso si aún está por descubrir. Pero estos lectores no deben olvidar que dicha modificación tendrá que estar asociada a nuevos campos clásicos (como en la teoría TeVeS/MOND). Y además que la versión cuántica de estos campos conducirá a nuevas partículas de relevancia astrofísica y cosmológica (similares al inflatón o al dilatón). La materia oscura estará asociada a nuevos campos (y nuevas partículas). ¿Por qué despreciar la idea de que debemos buscar dichas partículas? Hay muchos candidatos (neutrinos dextrógiros, axiones, WIMPs, etc.) que extienden de forma natural el modelo estándar. ¿Por qué preferir algo radicalmente distinto al modelo estándar para explicar las observaciones astrofísicas y cosmológicas?

[PS 09 Ene 2017] Por cierto, el término “dunkle (kalte) Materie” (materia oscura fría) fue introducido por Fritz Zwicky en 1933, en la página 122 de su famoso artículo “Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln,” Helvetica Physica Acta 6: 110-127 (1933) [http://adsabs.harvard.edu/abs/1933AcHPh…6..110Z].

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Zwicky la observó en el Cúmulo de Coma (Abell 1656), formado por más de mil galaxias, uno de los mayores cúmulos del Supercúmulo de Coma. El gran problema de Zwicky es que su artículo fue muy poco citado (en los primeros 40 años fue citado 10 veces). La materia oscura no fue reconocida como algo relevante hasta el fallecimiento de Zwicky, gracias, entre otros, al trabajo de Vera Rubin en los 1970. Recomiendo leer a Francis Villatoro, “La historia de la materia oscura,” Naukas, 20 Ago 2010.

10 Comentarios

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U-95U-95

Curiosa la galaxia que aparece en el centro de las fotos. A ver si este año ese unicornio -una partícula de materia oscura- es por fin cazado; una sola observación que desafía a todas las demás cuando esas otras están acorde con la teoría, y se puede además explicar con ella, no supone tener que tirarla a la basura.

Pedro MascarósPedro Mascarós

Para desgracia de los que no nos gusta la física de partículas, quedan aun campos y partículas para alicatar el cuarto de baño, entre ellas, nos guste o no, la materia oscura, y solo después, tal vez, con el marco cuasi completo, pueda despegar de nuevo una visión geométrica de la física u otras alternativas, infructuosas hoy por hoy.

Sobre la historia de los no satisfactorios intentos de geometrizar la física, me ha gustado mucho “El espaciotiempo: Dimensiones manifiestas y ocultas” de Vladimírov Yu. S.

GuillermoGuillermo

El hecho es que se llevan décadas buscando sin éxito partículas que expliquen la materia oscura, partículas que tendrían que tener un comportamiento exótico, en los modelos que la incluyen parecen hipótesis forzadas ad hoc. No esta mal buscar nuevos caminos como el modelo TeVeS/MOND.

Respecto del libro “El espaciotiempo: Dimensiones manifiestas y ocultas” de Vladimírov Yu. S.
¿Tiene un alto contenido técnico? Recuerdo con verdadero dolor la lectura de los Landau y soy reacio a los libros técnicos rusos,

Pedro MascarósPedro Mascarós

Hola Guillermo, el libro no es muy técnico en cuanto a que no hay muchas fórmulas, ahora bien, junto con las explicaciones del contexto histórico, consecuencias y demás, las explicaciones de los distintos modelos son a alto nivel, vista de pájaro (no podía ser de otra forma), con la consecuente jerga compleja y abstracción imposible ( sobre todo en los intentos de geometrización de las interacciones físicas). Por lo tanto hay que leerlo sin obsesionarse, quedándose uno con las ideas básicas. Así y todo no es como otros libros rusos (por ejemplo Gravitación de Ivanenko y Sardanashvili o Guía de la teoría cuántica de campos, de Bielokúrov y Shircov) que son para pegarse un tiro en el pie, de hecho no he terminado ninguno de los dos.

Te recomiendo uno precioso, precioso, es un librito que hizo el gran Fridman para filósofos “El mundo como espacio y tiempo” de A.A.Fridman

AntonioAntonio

Algunos comentarios al artículo:

-Respecto a que los campos clásicos tienen que ser cuantizados: Es cierto, pero solo es necesario cuantizarlos en determinado límite, que puede que sea de energías mucho mayores que las que te encuentras a escalas galácticas. Entonces, el comportamiento de estos campos a la escala galáctica estaría gobernado por las fuentes de materia, y no por sus propias excitaciones.

– La idea de Milgrom es fenomenológica. Con un único parámetro describe la rotación de galaxias espirales e irregulares. En comparación, los modelos de materia oscura tienen que proveer una partícula (o una familia de partículas) de materia oscura y un perfil de densidad del halo alrededor de la galaxia. Si bien las dinámicas de creación de galaxias puede dar a una relación más o menos estrecha entre el perfil de densidad y el tipo de galaxia; las diferentes condiciones iniciales, evolución, posibles fusiones de galaxias … deberían dar lugar a una variabilidad dentro de las curvas de rotación que no se observa.

– Respecto al cúmulo de la Bala. No es cierto que la materia oscura está donde no hay materia bariónica, la materia oscura se encuentra donde están las galaxias. Es cierto que el gas intergaláctico contiene mucha más masa que las galaxias… pero esto abre la puerta a modificaciones de la gravedad que tengan cierta dependencia en la densidad de materia. Que no sea lo mismo la gravedad de que ejerce un objeto denso que uno tenue.

Con esto no quiero decir que MOND tenga razón. Mi opinión es que CDM es la explación más razonable. Pero me molesta que se mire con desdén el trabajo de la gente que estudia gravedad modificada. No solo es de interés teórico, si no que esta gente está proponiendo medidas y observaciones interesantes, tales como la de estrellas binarias muy separadas. No nos olvidemos que de las escalas que sabemos medir (gravedad fuerte, sistema solar, fusiones de agujeros negros) a las siguientes (galaxias, cosmología) hay muchos órdenes de magnitud, y realmente hay un vacío de experimentos que testen relatividad general a esas escalas.

AlbertAlbert

Por si pudiera tener interés en este debate, adjunto enlace a un paper reciente en el que teoriza que las oscilaciones espectrales de 236 estrellas situadas en el halo galáctico, podrían ser debidas a la presencia de materia oscura en sus núcleos convectivos, e incluso se atreve a calcular la masa del supuesto axión de materia oscura responsable, afirmado que tal masa está de acuerdo con QCD:
Can the periodic spectral modulations of the 236 SETI candidate Sloan Survey stars be due to Dark Matter effects?
https://arxiv.org/abs/1611.02586
Saludos.

CurioseandoCurioseando

Alexandre Deur lleva tiempo trabajando la idea de las analogías entre la interacción fuerte y la gravitatoria. Sus resultados dan una explicación a la materia oscura como un efecto de la interacción gravitón-gravitón. Francis ya mencionó este trabajo hace tiempo. Últimamente Deur ha sacado un nuevo artículo:
https://arxiv.org/abs/1611.05515
A ver si Francis saca un poco de tiempo de su infinita reserva y nos comenta algo

RogelioRogelio

Hola, hay un número que no entiendo, ¿cómo haces la equivalencia entre ~ 4740 km/s y Mach ~3?
Un saludo

Francisco R. Villatoro

Rogelio, el número aparece en el artículo (yo no he hecho el cálculo). Como bien sabrás Mach 3 significa el triple de la velocidad del sonido. La velocidad del sonido en un plasma (o gas) se calcula con la fórmula que aparece en la wikipedia. El valor es tan grande en los plasmas intracumulares (ICM) calientes porque su temperatura es enorme (entre 20 keV y 100 keV); la velocidad del sonido es de unos 1500 km/s para una temperatura de unos 100 keV. La temperatura se estima a partir de su emisión en rayos X, que para la zona de la onda de choque en el Cúmulo de la Bala es enorme. Si quieres detalles técnicos tendrás que estudiar un libro de física de plasmas en cúmulos.

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