Dinámica newtoniana modificada

"MOND" vuelve a dirigir aquí. Para otros usos, consulte Mond .

Hipótesis que propone una modificación de las leyes de Newton

La dinámica newtoniana modificada ( MOND ) es una hipótesis que propone una modificación de las leyes de Newton para dar cuenta de las propiedades observadas de las galaxias . Es una alternativa a la hipótesis de la materia oscura en términos de explicar por qué las galaxias no parecen obedecer las leyes de la física que se entienden actualmente.

Creada en 1982 y publicada por primera vez en 1983 por el físico israelí Mordehai Milgrom , ^[1] la motivación original de la hipótesis era explicar por qué se observó que las velocidades de las estrellas en las galaxias eran mayores de lo esperado según la mecánica newtoniana. Milgrom señaló que esta discrepancia podría resolverse si la fuerza gravitacional experimentada por una estrella en las regiones externas de una galaxia fuera proporcional al cuadrado de su aceleración centrípeta (a diferencia de la aceleración centrípeta en sí, como en la segunda ley de Newton ) o alternativamente, si la fuerza gravitacional llegara a variar inversamente linealmente con el radio (en oposición al cuadrado inversodel radio, como en la ley de gravedad de Newton ). En MOND, la violación de las leyes de Newton ocurre a aceleraciones extremadamente pequeñas, características de las galaxias, pero muy por debajo de cualquier cosa que se encuentre típicamente en el Sistema Solar o en la Tierra.

Problema sin resolver en física :

• ¿Cuál es la naturaleza de la materia oscura ? ¿Es una partícula o los fenómenos atribuidos a la materia oscura realmente requieren una modificación de las leyes de la gravedad?

(más problemas sin resolver en física)

MOND es un ejemplo de una clase de teorías conocidas como gravedad modificada , y es una alternativa a la hipótesis de que la dinámica de las galaxias está determinada por halos masivos e invisibles de materia oscura . Desde la propuesta original de Milgrom, los defensores de MOND han afirmado predecir con éxito una variedad de fenómenos galácticos que, según afirman, son difíciles de entender como consecuencias de la materia oscura . ^{[2] [3]} Sin embargo, MOND y sus generalizaciones no explican adecuadamente las propiedades observadas de los cúmulos de galaxias , y no se ha construido ningún modelo cosmológico satisfactorio a partir de la hipótesis.

La medición precisa de la velocidad de las ondas gravitacionales en comparación con la velocidad de la luz en 2017 descartó muchas hipótesis que utilizaban la gravedad modificada para descartar la materia oscura. ^[4] Sin embargo, este estudio no descarta ni la formulación bi-métrica de MOND de Milgrom ni la MOND no local.

Visión general

Comparación de las curvas de rotación observadas y esperadas de la típica galaxia espiral M33 ^[5]

Varias observaciones independientes apuntan al hecho de que la masa visible en las galaxias y los cúmulos de galaxias es insuficiente para explicar su dinámica, cuando se analiza utilizando las leyes de Newton. Esta discrepancia - conocida como el "problema de masa faltante" - fue identificada por primera vez para los cúmulos por el astrónomo suizo Fritz Zwicky en 1933 (que estudió el cúmulo de Coma ), ^{[6] [7]} y posteriormente se amplió para incluir galaxias espirales por el trabajo de 1939 de Horace Babcock sobre Andrómeda . ^[8]

Estos primeros estudios se ampliaron y llamaron la atención de la comunidad astronómica en las décadas de 1960 y 1970 por el trabajo de Vera Rubin en el Carnegie Institute en Washington, quien trazó en detalle las velocidades de rotación de las estrellas en una gran muestra de espirales. Mientras que las leyes de Newton predicen que las velocidades de rotación estelar deberían disminuir con la distancia desde el centro galáctico, Rubin y sus colaboradores encontraron en cambio que permanecen casi constantes ^[9] - se dice que las curvas de rotación son "planas". Esta observación requiere al menos uno de los siguientes:

(1)	Existen en las galaxias grandes cantidades de materia invisible que aumenta las velocidades de las estrellas más allá de lo que se esperaría sobre la base de la masa visible únicamente, o
(2)	Las leyes de Newton no se aplican a las galaxias.

La opción (1) conduce a la hipótesis de la materia oscura; la opción (2) conduce a MOND.

MOND fue propuesto por Mordehai Milgrom en 1983

La premisa básica de MOND es que, si bien las leyes de Newton se han probado ampliamente en entornos de alta aceleración (en el Sistema Solar y en la Tierra), no se han verificado para objetos con una aceleración extremadamente baja, como las estrellas en las partes externas de las galaxias. . Esto llevó a Milgrom a postular una nueva ley de fuerza gravitacional efectiva (a veces denominada "ley de Milgrom") que relaciona la verdadera aceleración de un objeto con la aceleración que se predeciría sobre la base de la mecánica newtoniana. ^[1] Esta ley, la piedra angular de MOND, se elige para reproducir el resultado newtoniano a alta aceleración, pero conduce a un comportamiento diferente ("MOND profundo") a baja aceleración:

${\displaystyle F_{\text{N}}=m\,\mu \!\!\left({\frac {a}{\,a_{0}\,}}\right)\,a~.}$

( 1 )

Aquí F _N es la fuerza newtoniana, m es la masa (gravitacional) del objeto , a es su aceleración, μ ( x ) es una función aún no especificada (llamada función de interpolación ) y un ₀ es una nueva constante fundamental que marca la transición entre los regímenes newtoniano y deep-MOND. El acuerdo con la mecánica newtoniana requiere

${\displaystyle {\begin{aligned}\mu (x)\longrightarrow 1&&{\text{ for }}x\gg 1\end{aligned}}~,}$

y la coherencia con las observaciones astronómicas requiere

${\displaystyle {\begin{aligned}\mu (x)\longrightarrow x&&{\text{ for }}x\ll 1\end{aligned}}~.}$

Más allá de estos límites, la función de interpolación no está especificada por la hipótesis, aunque es posible restringirla empíricamente débilmente. ^{[10] [11]} Dos opciones comunes son la "función de interpolación simple":

${\displaystyle \mu \!\!\left({\frac {a}{\,a_{0}\,}}\right)={\frac {1}{\;1+{\frac {\,a_{0}\,}{a}}\;}}~,}$

y la "función de interpolación estándar":

${\displaystyle \mu \!\!\left({\frac {a}{\,a_{0}\,}}\right)={\sqrt {{\frac {1}{\;1+\left({\frac {\,a_{0}\,}{a}}\right)^{2}\;}}~}}~.}$

Así, en el régimen MOND profundo ( a ≪ a ₀ ):

${\displaystyle F_{\text{N}}=m{\frac {\,a^{2}\,}{\,a_{0}\,}}~.}$

Aplicando esto a un objeto de masa m en órbita circular alrededor de un punto de masa M (una aproximación burda para una estrella en las regiones externas de una galaxia), encontramos:

${\displaystyle {\frac {\,GMm\,}{r^{2}}}=m{\frac {\;\left({\frac {\,v^{2}\,}{r}}\right)^{2}\;}{a_{0}}}\quad \Longrightarrow \quad v^{4}=GMa_{0}~,}$

( 2 )

es decir, la velocidad de rotación de la estrella es independiente de r , su distancia desde el centro de la galaxia; la curva de rotación es plana, según sea necesario. Al ajustar su ley a los datos de la curva de rotación, Milgrom encontró que era óptimo. Esta simple ley es suficiente para hacer predicciones para una amplia gama de fenómenos galácticos.${\displaystyle \,a_{0}\approx 1.2\times 10^{-10}\mathrm {ms} ^{-2}\,}$

La ley de Milgrom se puede interpretar de dos formas diferentes:

• Una posibilidad es tratarlo como una modificación a la segunda ley de Newton , de modo que la fuerza sobre un objeto no es proporcional al de la partícula aceleración de un sino más bien a En este caso, la dinámica modificados se aplican no sólo a los fenómenos gravitacionales, sino también las generado por otras fuerzas , por ejemplo electromagnetismo . ^[12]${\displaystyle \,\mu \!\left({\frac {a}{\,a_{0}\,}}\right)a\,.}$
• Alternativamente, se puede considerar que la ley de Milgrom deja intacta la Segunda Ley de Newton y en su lugar modifica la ley de la gravedad del inverso del cuadrado, de modo que la verdadera fuerza gravitacional sobre un objeto de masa m debido a otro de masa M es aproximadamente de la forma En esta interpretación , La modificación de Milgrom se aplicaría exclusivamente a los fenómenos gravitacionales.${\displaystyle \,{\frac {\,GMm\,}{\mu \!\!\left({\frac {a}{a_{0}}}\right)r^{2}}}~.}$

Por sí misma, la ley de Milgrom no es una teoría física completa y autónoma , sino más bien una variante ad hoc motivada empíricamente de una de las varias ecuaciones que constituyen la mecánica clásica. Su estatus dentro de una hipótesis coherente no relativista de MOND es similar a la Tercera Ley de Kepler dentro de la mecánica newtoniana; proporciona una descripción sucinta de los hechos observacionales, pero en sí misma debe explicarse mediante conceptos más fundamentales situados dentro de la hipótesis subyacente. Se han propuesto varias hipótesis clásicas completas (típicamente a lo largo de líneas de "gravedad modificada" en oposición a "inercia modificada"), que generalmente producen la ley de Milgrom exactamente en situaciones de alta simetríay de lo contrario desviarse ligeramente de él. Un subconjunto de estas hipótesis no relativistas se ha incrustado aún más en las teorías relativistas, que son capaces de hacer contacto con fenómenos no clásicos (por ejemplo, lentes gravitacionales ) y cosmología . ^{[13] La} distinción tanto teórica como observacional entre estas alternativas es un tema de investigación actual.

La mayoría de los astrónomos , astrofísicos y cosmólogos aceptan la materia oscura como explicación de las curvas de rotación galáctica ^[14] (basadas en la relatividad general y, por tanto, en la mecánica newtoniana) y están comprometidos con una solución de materia oscura al problema de la masa faltante. MOND, por el contrario, es estudiado activamente por solo un puñado de investigadores.

La principal diferencia entre los partidarios de ΛCDM y MOND radica en las observaciones para las que exigen una explicación cuantitativa sólida y aquellas para las que están satisfechos con una explicación cualitativa o están dispuestos a partir para trabajar en el futuro. Los defensores de MOND enfatizan las predicciones hechas a escalas de galaxias (donde MOND disfruta de sus éxitos más notables) y creen que aún no se ha descubierto un modelo cosmológico consistente con la dinámica de las galaxias. Los defensores de ΛCDM requieren altos niveles de precisión cosmológica (que proporciona la cosmología de concordancia) y argumentan que una resolución de problemas a escala de galaxias se seguirá de una mejor comprensión de la complicada astrofísica bariónica que subyace a la formación de galaxias . ^{[2] [15]}

Evidencia observacional para MOND

Dado que MOND fue diseñado específicamente para producir curvas de rotación planas, estas no constituyen evidencia para la hipótesis, pero cada observación coincidente se suma al apoyo de la ley empírica. Sin embargo, los proponentes afirman que una amplia gama de fenómenos astrofísicos a escala galáctica se explican claramente dentro del marco MOND. ^{[13] [16]} Muchos de estos salieron a la luz después de la publicación de los artículos originales de Milgrom y son difíciles de explicar utilizando la hipótesis de la materia oscura. Los más destacados son los siguientes:

• Además de demostrar que las curvas de rotación en MOND son planas, la ecuación 2 proporciona una relación concreta entre la masa bariónica total de una galaxia (la suma de su masa en estrellas y gas) y su velocidad de rotación asintótica. Esta relación predicha fue llamada por Milgrom relación masa-velocidad asintótica (MASSR); su manifestación observacional se conoce como la relación bariónica de Tully-Fisher (BTFR), ^[17] y se encuentra que se ajusta bastante estrechamente a la predicción MOND. ^[18]
• La ley de Milgrom especifica completamente la curva de rotación de una galaxia dada solo la distribución de su masa bariónica. En particular, MOND predice una correlación mucho más fuerte entre las características de la distribución de masa bariónica y las características de la curva de rotación que la hipótesis de la materia oscura (dado que la materia oscura domina el presupuesto de masa de la galaxia y se asume convencionalmente que no sigue de cerca la distribución de bariones) . Se afirma que se observa una correlación tan estrecha en varias galaxias espirales, un hecho que se ha denominado "regla de Renzo". ^[13]
• Dado que MOND modifica la dinámica newtoniana de una manera dependiente de la aceleración, predice una relación específica entre la aceleración de una estrella en cualquier radio desde el centro de una galaxia y la cantidad de masa invisible (materia oscura) dentro de ese radio que se inferiría en un análisis newtoniano. Esto se conoce como la relación de aceleración-discrepancia de masa y se ha medido mediante observación. ^{[19] [20]} Un aspecto de la predicción MOND es que la masa de la oscuridad inferido materia vaya a cero cuando la aceleración centrípeta estelar se hace mayor que un ₀, donde MOND vuelve a la mecánica newtoniana. En la hipótesis de la materia oscura, es un desafío comprender por qué esta masa debería correlacionarse tan estrechamente con la aceleración y por qué parece haber una aceleración crítica por encima de la cual no se requiere materia oscura. ^[2]
• Tanto los halos de materia oscura como los de MOND estabilizan las galaxias de disco, ayudándolas a retener su estructura de rotación y evitando su transformación en galaxias elípticas . En MOND, esta mayor estabilidad sólo está disponible para las regiones de las galaxias dentro del régimen profundo-MOND (es decir, con un < un ₀ ), lo que sugiere que los espirales con una > un ₀ en sus regiones centrales deberían ser propenso a inestabilidades y por lo tanto menos probable para sobrevivir hasta el día de hoy. ^[21] Esto puede explicar la " Freeman límite" a la densidad de masa superficie central observada de las galaxias espirales, que es aproximadamente un ₀ / G .^[22] Esta escala debe introducirse a mano en modelos de formación de galaxias basados ​​en la materia oscura. ^[23]
• Las galaxias particularmente masivas están dentro del régimen newtoniano ( a > a ₀ ) hasta radios que encierran la gran mayoría de su masa bariónica. En estos radios, MOND predice que la curva de rotación debe caer como 1 / r , de acuerdo con las leyes de Kepler . Por el contrario, desde la perspectiva de la materia oscura, uno esperaría que el halo aumentara significativamente la velocidad de rotación y la hiciera asíntota a un valor constante, como en las galaxias menos masivas. Las observaciones de elípticas de gran masa confirman la predicción de MOND. ^{[24] [25]}
• En MOND, todos los objetos ligados gravitacionalmente con un < a ₀ , independientemente de su origen, deben mostrar una discrepancia de masa cuando se analizan utilizando la mecánica newtoniana y deben estar en el BTFR. Bajo la hipótesis de la materia oscura, se espera que los objetos formados a partir de material bariónico expulsado durante la fusión o interacción de marea de dos galaxias (" galaxias enanas de marea ") carezcan de materia oscura y, por lo tanto, no muestren discrepancias de masa. Tres objetos identificados inequívocamente como galaxias enanas de marea parecen tener discrepancias de masa en estrecha concordancia con la predicción de MOND. ^{[26] [27] [28]}
• Trabajos recientes han demostrado que muchas de las galaxias enanas alrededor de la Vía Láctea y Andrómeda están ubicadas preferentemente en un solo plano y tienen movimientos correlacionados. Esto sugiere que pueden haberse formado durante un encuentro cercano con otra galaxia y, por lo tanto, ser Galaxias Tidal Dwarf. Si es así, la presencia de discrepancias masivas en estos sistemas constituye una prueba más de MOND. Además, se ha afirmado que se requiere una fuerza gravitacional más fuerte que la de Newton (como la de Milgrom) para que estas galaxias retengan sus órbitas a lo largo del tiempo. ^[29]
• En 2020, un grupo de astrónomos que analizaba datos de la muestra de Fotometría Spitzer y Curvas de Rotación Precisa (SPARC) junto con estimaciones del campo gravitacional externo a gran escala de un catálogo de galaxias de todo el cielo, concluyó que había evidencia de violaciones altamente estadísticamente significativa. del principio de equivalencia fuerte en campos gravitacionales débiles en la vecindad de galaxias sostenidas rotacionalmente. ^[30] Observaron un efecto consistente con el efecto de campo externo de la dinámica newtoniana modificada e inconsistente con los efectos de marea en el paradigma del modelo Lambda-CDM comúnmente conocido como el Modelo Estándar de Cosmología.

Hipótesis MOND completas

La ley de Milgrom requiere la incorporación a una hipótesis completa si se pretende satisfacer las leyes de conservación y proporcionar una solución única para la evolución temporal de cualquier sistema físico. Cada una de las teorías aquí descritas se reducen a la ley de Milgrom en situaciones de alta simetría (y así disfrutar de los éxitos descritos anteriormente), pero producen comportamientos diferentes en detalle.

No relativista

La primera hipótesis de MOND (apodada AQUAL ) fue construida en 1984 por Milgrom y Jacob Bekenstein . ^[31] AQUAL genera un comportamiento MONDiano modificando el término gravitacional en el Lagrangiano clásico de ser cuadrático en el gradiente del potencial newtoniano a una función más general. (AQUAL es un acrónimo de AQUAdratic Lagrangian.) En fórmulas:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\mathcal {L}}_{\text{Newton}}&=-{\frac {1}{8\pi G}}\cdot \|\nabla \phi \|^{2}\\[6pt]{\mathcal {L}}_{\text{AQUAL}}&=-{\frac {1}{8\pi G}}\cdot a_{0}^{2}F\left({\tfrac {\|\nabla \phi \|^{2}}{a_{0}^{2}}}\right)\end{aligned}}}$

donde es el potencial gravitacional newtoniano estándar y F es una nueva función adimensional. La aplicación de las ecuaciones de Euler-Lagrange de la forma estándar conduce a una generalización no lineal de la ecuación de Newton-Poisson :${\displaystyle \phi }$

${\displaystyle \nabla \cdot \left[\mu \left({\frac {\left\|\nabla \phi \right\|}{a_{0}}}\right)\nabla \phi \right]=4\pi G\rho }$

Esto puede resolverse dadas las condiciones de contorno adecuadas y la elección de F para obtener la ley de Milgrom (hasta una corrección del campo de rizo que desaparece en situaciones de alta simetría).

Una forma alternativa para modificar el término gravitacional en el lagrangiano es introducir una distinción entre el verdadero (Mondian) aceleración campo una y el campo de aceleración newtoniano una _N . El lagrangiano puede construirse de modo que a _N satisfaga la ecuación habitual de Newton-Poisson, y luego se usa para encontrar a vía un paso algebraico adicional pero no lineal, que se elige para satisfacer la ley de Milgrom. Esto se llama la "formulación cuasi-lineal de MOND", o QUMOND, ^[32] y es particularmente útil para calcular la distribución de materia oscura "fantasma" que se inferiría de un análisis newtoniano de una situación física dada. ^[13]

Tanto AQUAL como QUMOND proponen cambios en la parte gravitacional de la acción clásica de la materia y, por tanto, interpretan la ley de Milgrom como una modificación de la gravedad newtoniana en oposición a la segunda ley de Newton. La alternativa es convertir el término cinético de la acción en funcional dependiendo de la trayectoria de la partícula. Sin embargo, estas teorías de "inercia modificada" son difíciles de usar porque no son locales en el tiempo, requieren que la energía y el momento sean redefinidos de manera no trivial para ser conservados y tienen predicciones que dependen de la totalidad de la órbita de una partícula. ^[13]

Relativista

En 2004, Jacob Bekenstein formuló TeVeS , la primera hipótesis relativista completa que utiliza el comportamiento MONDian. ^[33] TeVeS se construye a partir de un Lagrangiano local (y por lo tanto respeta las leyes de conservación), y emplea un campo vectorial unitario , un campo escalar dinámico y no dinámico , una función libre y una métrica no Einsteiniana para producir AQUAL en el límite no relativista (velocidades bajas y gravedad débil). TeVeS ha tenido cierto éxito al hacer contacto con lentes gravitacionales y observaciones de formación de estructuras , ^[34] pero enfrenta problemas cuando se enfrenta a datos sobre la anisotropía del fondo cósmico de microondas., ^[35] la vida útil de los objetos compactos, ^[36] y la relación entre la lente y los potenciales de sobredensidad de la materia. ^[37]

Existen varias generalizaciones relativistas alternativas de MOND, incluidas las teorías BIMOND y generalizadas de Einstein-Aether. ^[13] También hay una generalización relativista de MOND que asume una invariancia de tipo Lorentz como la base física de la fenomenología MOND. ^[38]

El efecto de campo externo

En la mecánica newtoniana, la aceleración de un objeto se puede encontrar como la suma vectorial de la aceleración debida a cada una de las fuerzas individuales que actúan sobre él. Esto significa que un subsistema puede desacoplarse del sistema más grande en el que está incrustado simplemente refiriendo el movimiento de sus partículas constituyentes a su centro de masa; en otras palabras, la influencia del sistema más grande es irrelevante para la dinámica interna del subsistema. Dado que la ley de Milgrom no es lineal en aceleración, los subsistemas MONDian no pueden desacoplarse de su entorno de esta manera y, en ciertas situaciones, esto conduce a un comportamiento sin paralelo newtoniano. Esto se conoce como el "efecto de campo externo" (EFE), ^[1] para el cual existe evidencia observacional. ^[30]

El efecto de campo externo se describe mejor clasificando los sistemas físicos de acuerdo con sus valores relativos de a _in (la aceleración característica de un objeto dentro de un subsistema debido a la influencia de otro), a _ex (la aceleración de todo el subsistema debido a las fuerzas ejercidas por objetos fuera de él), y un ₀ :

• ${\displaystyle a_{\mathrm {in} }>a_{0}}$ : Régimen newtoniano

• ${\displaystyle a_{\mathrm {ex} }<a_{\mathrm {in} }<a_{0}}$ : Régimen Deep-MOND

• ${\displaystyle a_{\mathrm {in} }<a_{0}<a_{\mathrm {ex} }}$ : El campo externo es dominante y el comportamiento del sistema es newtoniano.

• ${\displaystyle a_{\mathrm {in} }<a_{\mathrm {ex} }<a_{0}}$ : El campo externo es mayor que la aceleración interna del sistema, pero ambos son menores que el valor crítico. En este caso, la dinámica es newtoniano pero el valor eficaz de G se mejora por un factor de un ₀ / un _ex . ^[39]

El efecto de campo externo implica una ruptura fundamental con el principio de equivalencia fuerte (pero no necesariamente con el principio de equivalencia débil ). El efecto fue postulado por Milgrom en el primero de sus artículos de 1983 para explicar por qué se observó que algunos conglomerados abiertos no tenían discrepancia de masa a pesar de que sus aceleraciones internas estaban por debajo de ₀ . Desde entonces ha llegado a ser reconocido como un elemento crucial del paradigma MOND.

La dependencia en MOND de la dinámica interna de un sistema de su entorno externo (en principio, el resto del universo ) recuerda fuertemente al principio de Mach y puede indicar una estructura más fundamental subyacente a la ley de Milgrom. Al respecto, Milgrom ha comentado: ^[40]

Durante mucho tiempo se sospechó que la dinámica local está fuertemente influenciada por el universo en general, el principio de a -la Mach, pero MOND parece ser el primero en proporcionar evidencia concreta de tal conexión. Ésta puede resultar ser la implicación más fundamental de MOND, más allá de su modificación implícita de la dinámica newtoniana y la relatividad general, y más allá de la eliminación de la materia oscura.

De hecho, el vínculo potencial entre la dinámica MONDiana y el universo en su conjunto (es decir, la cosmología) se ve aumentado por la observación de que el valor de un ₀ (determinado por ajustes a las propiedades internas de las galaxias) está dentro de un orden de magnitud de cH ₀ , donde c es la velocidad de la luz y H ₀ es la constante de Hubble (una medida de la tasa de expansión actual del universo). ^[1] También está cerca de la tasa de aceleración del universo y, por lo tanto, de la constante cosmológica. Sin embargo, hasta ahora no se ha construido una hipótesis completa que manifieste estas conexiones de forma natural.

Respuestas y críticas

Explicación de la materia oscura

Si bien reconocen que la ley de Milgrom proporciona una descripción sucinta y precisa de una variedad de fenómenos galácticos, muchos físicos rechazan la idea de que la dinámica clásica en sí necesita ser modificada e intentan explicar el éxito de la ley haciendo referencia al comportamiento de la materia oscura. Se han realizado algunos esfuerzos para establecer la presencia de una escala de aceleración característica como una consecuencia natural del comportamiento de los halos de materia oscura fría, ^{[41] [42]} aunque Milgrom ha argumentado que tales argumentos explican sólo un pequeño subconjunto de fenómenos MOND . ^[43] Una propuesta alternativa es modificar las propiedades de la materia oscura (por ejemplo, para hacer que interactúe fuertementeconsigo mismo o bariones) para inducir el acoplamiento estrecho entre la masa de materia oscura y bariónica a la que apuntan las observaciones. ^[44] Finalmente, algunos investigadores sugieren que explicar el éxito empírico de la ley de Milgrom requiere una ruptura más radical con los supuestos convencionales sobre la naturaleza de la materia oscura. Una idea (denominada "materia oscura dipolar") es hacer que la materia oscura sea polarizable gravitacionalmente por la materia ordinaria y hacer que esta polarización mejore la atracción gravitacional entre bariones. ^[45]

Problemas sobresalientes para MOND

El problema más grave al que se enfrenta la ley de Milgrom es que no puede eliminar por completo la necesidad de materia oscura en todos los sistemas astrofísicos: los cúmulos de galaxias muestran una discrepancia de masa residual incluso cuando se analizan con MOND. ^[2] El hecho de que deba existir alguna forma de masa invisible en estos sistemas resta valor a la elegancia de MOND como solución al problema de la masa faltante, aunque la cantidad de masa adicional requerida es una quinta parte de la de un análisis newtoniano, y hay ningún requisito de que la masa faltante sea no bariónica. Se ha especulado que los neutrinos de 2 eV podrían explicar las observaciones de cúmulos en MOND al tiempo que se preservan los éxitos de la hipótesis a escala de galaxias. ^{[46] [47]}De hecho, el análisis de los datos de lentes nítidos para el cúmulo de galaxias Abell 1689 muestra que MOND solo se vuelve distintivo a una distancia de Mpc del centro, por lo que el enigma de Zwicky permanece, ^[48] y se necesitan neutrinos de 1,8 eV en los cúmulos. ^[49]

La observación de 2006 de un par de cúmulos de galaxias en colisión conocidos como " Bullet Cluster ", ^[50] plantea un desafío significativo para todas las teorías que proponen una solución de gravedad modificada al problema de la masa faltante, incluido el MOND. Los astrónomos midieron la distribución de la masa estelar y gaseosa en los cúmulos usando luz visible y de rayos X , respectivamente, y además mapearon la densidad de materia oscura inferida usando lentes gravitacionales. En MOND, uno esperaría que la "masa faltante" se centrara en regiones de masa visible que experimentan aceleraciones inferiores a ₀(asumiendo que el efecto de campo externo es insignificante). En ΛCDM, por otro lado, uno esperaría que la materia oscura se desvíe significativamente de la masa visible porque los halos de los dos cúmulos en colisión se atravesarían (asumiendo, como es convencional, que la materia oscura no tiene colisiones), mientras que el gas del racimo interactuaría y terminaría en el centro. Un desplazamiento se ve claramente en las observaciones. Sin embargo, se ha sugerido que los modelos basados ​​en MOND pueden generar dicho desplazamiento en sistemas fuertemente simétricos no esféricos, como el Bullet Cluster. ^[51]

Una prueba significativa a favor de la materia oscura estándar son las anisotropías observadas en el fondo cósmico de microondas . ^[52] Si bien ΛCDM es capaz de explicar el espectro de potencia angular observado, MOND tiene muchas más dificultades. MOND también encuentra dificultades para explicar la formación de estructuras , ya que las perturbaciones de densidad en MOND crecen demasiado tarde para formar las galaxias y los cúmulos que se observan en la actualidad. ^[53]

Varios otros estudios han señalado dificultades de observación con MOND. Por ejemplo, se ha afirmado que MOND ofrece un ajuste pobre al perfil de dispersión de velocidad de los cúmulos globulares y al perfil de temperatura de los cúmulos de galaxias, ^{[54] [55]} que se requieren diferentes valores de un ₀ para concordar con la rotación de diferentes galaxias. curvas, ^[56] y que MOND es naturalmente inadecuado para formar la base de una hipótesis de cosmología. ^[57] Además, muchas versiones de MOND predicen que la velocidad de la luz es diferente de la velocidad de la gravedad, pero en 2017 se midió que la velocidad de las ondas gravitacionales era igual a la velocidad de la luz. ^[4]

Además de estos problemas de observación, MOND y sus generalizaciones relativistas están plagadas de dificultades teóricas. ^{[57] [58]} Se requieren varias adiciones ad hoc y poco elegantes a la relatividad general para crear una hipótesis con un límite no relativista no newtoniano, la plétora de diferentes versiones de la hipótesis ofrecen predicciones divergentes en situaciones físicas simples y, por lo tanto, lo hacen Es difícil probar el marco de manera concluyente, y algunas formulaciones (principalmente las basadas en la inercia modificada) han sufrido durante mucho tiempo una escasa compatibilidad con principios físicos apreciados, como las leyes de conservación.

Propuestas para probar MOND

Se han propuesto varias pruebas de observación y experimentales para ayudar a distinguir ^[59] entre los modelos MOND y los basados ​​en la materia oscura:

• La detección de partículas adecuadas para constituir materia oscura cosmológica sugeriría fuertemente que ΛCDM es correcto y no se requieren modificaciones a las leyes de Newton.
• Si se toma MOND como una teoría de la inercia modificada, predice la existencia de aceleraciones anómalas en la Tierra en lugares y épocas particulares del año. Estos podrían detectarse en un experimento de precisión. Esta predicción no se mantendría si se tomara MOND como una teoría de la gravedad modificada, ya que el efecto de campo externo producido por la Tierra cancelaría los efectos de MONDian en la superficie de la Tierra. ^{[60] [61]}
• Se ha sugerido que MOND podría probarse en el Sistema Solar utilizando la misión LISA Pathfinder (lanzada en 2015). En particular, puede ser posible detectar las tensiones de marea anómalas predichas por MOND en el punto de equilibrio Tierra-Sol del potencial gravitacional newtoniano. ^[62] También puede ser posible medir las correcciones MOND a la precesión del perihelio de los planetas en el Sistema Solar, ^[63] o una nave espacial especialmente diseñada. ^[64]
• Una posible prueba astrofísica de MOND es investigar si las galaxias aisladas se comportan de manera diferente a las galaxias idénticas que están bajo la influencia de un fuerte campo externo. Otra es buscar un comportamiento no newtoniano en el movimiento de sistemas estelares binarios donde las estrellas están lo suficientemente separadas como para que sus aceleraciones estén por debajo de ₀ . ^{[sesenta y cinco]}
• Probando MOND usando la dependencia del corrimiento al rojo de la aceleración radial: Sabine Hossenfelder y Tobias Mistele proponen un modelo MOND sin parámetros al que llaman Covariant Emergent Gravity y sugieren que a medida que mejoran las mediciones de la aceleración radial, varios modelos MOND y partículas de materia oscura podrían distinguirse porque MOND predice una dependencia del corrimiento al rojo mucho menor. ^[66]

Ver también

• Investigadores de MOND:
  • Mordehai Milgrom
  • Jacob Bekenstein  - físico mexicano-israelí
  • Stacy McGaugh  - astrónomo estadounidense
  • Pavel Kroupa
• AQUAL
• Te ves
• Modelos de gravedad modificados
  • Gravedad  entrópica: teoría de la física moderna que describe la gravedad como una fuerza entrópica
• Materia oscura fría  : tipo hipotético de materia oscura en física
• Materia oscura  : forma hipotética de materia que comprende la mayor parte de la materia del universo
• Lambda-CDM
• Relación Tully-Fisher  - Tendencia en astronomía
• Curva de rotación universal

Referencias

1. Milgrom, M. (1983). "Una modificación de la dinámica newtoniana como posible alternativa a la hipótesis de la masa oculta". Revista astrofísica . 270 : 365–370. Código bibliográfico : 1983ApJ ... 270..365M . doi : 10.1086 / 161130 .. Milgrom, M. (1983). "Una modificación de la dinámica newtoniana - Implicaciones para las galaxias". Revista astrofísica . 270 : 371–389. Código bibliográfico : 1983ApJ ... 270..371M . doi : 10.1086 / 161131 .. Milgrom, M. (1983). "Una modificación de la dinámica newtoniana - Implicaciones para los sistemas de galaxias". Revista astrofísica . 270 : 384. Código bibliográfico : 1983ApJ ... 270..384M . doi : 10.1086 / 161132 ..
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Popular:

• Un modelo no estándar , David Merritt, Aeon Magazine, julio de 2021
• Los críticos de la materia oscura se centran en los detalles, ignoran el panorama general , Lee, 14 de noviembre de 2012
• Milgrom, Mordehai (2009). "MOND: ¿Es hora de cambiar de opinión?". arXiv : 0908.3842 [ astro-ph.CO ].
• Quienes dudan de la "materia oscura" aún no han sido silenciados , World Science, 2 de agosto de 2007
• ¿Existe realmente la materia oscura? , Milgrom, Scientific American, agosto de 2002

enlaces externos

• Medios relacionados con la dinámica newtoniana modificada en Wikimedia Commons

Wikiquote tiene citas relacionadas con: Dinámica newtoniana modificada

• Las páginas de MOND , Stacy McGaugh
• Sitio web de Mordehai Milgrom
• Blog "La crisis de la materia oscura" , Pavel Kroupa, Marcel Pawlowski
• Sitio web de Pavel Kroupa
• Hossenfelder, Sabine (1 de febrero de 2016). "El Universo superfluido" . Consultado el 2 de febrero de 2016 . La materia oscura superfluida puede proporcionar una forma más natural de llegar a la ecuación MOND.