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Las estrellas de neutrones colisionantes

Einstein todavía tiene razón —

aplican el beso de la muerte a las teorías de la gravedad

La alternativa primaria a la materia oscura no puede lidiar con la velocidad de las ondas gravitatorias.

Las estrellas de neutrones colisionantes
Fusiones de estrellas de neutrones, asesinos de zombis. Crédito de la imagen: NASA

Por Chris Lee, para Ars-Technica - Octubre 25 de 2017


Los teóricos afirman amar los datos. Los datos son lo que les permite probar sus teorías y demostrar que tienen razón. Desafortunadamente para ellos, los datos a menudo no son compatibles con la teoría. En esos casos, la información acaba de apuñalar su trabajo de amor en el corazón, y se espera que diga "gracias, señor. ¿Puedo tener otra?"

La observación reciente de la espiral y la fusión de dos estrellas de neutrones ha hecho precisamente eso en una sala llena de teóricos que trabajan en teorías gravitacionales que intentan deshacerse de la materia oscura.

Iluminando la Materia Obscura

La materia oscura es una partícula que se postula que existe en grandes cantidades en el Universo. Los físicos no lo soñaron porque estaban aburridos, sino porque la estructura gravitacional interna de las galaxias no podía explicarse por la distribución de la materia visible. Después de que se propuso por primera vez la existencia de materia oscura, obtuvo alguna evidencia de apoyo crítica. El fondo cósmico de microondas -la radiación emitida durante el Big Bang que impregna al Universo- tiene características que, por el momento, solo podemos explicar con materia oscura.

La diferencia entre la materia oscura y la materia ordinaria es cómo responden los dos a la luz. La materia ordinaria tiene una relación amor / odio con la luz. Invita a la luz a cenar, la recibe y luego arroja luz sin ceremonias por la ventana para detectar sus electrones. Como resultado, esa materia ordinaria es visible debido a la forma en que absorbe y dispersa la luz. La materia oscura, por otro lado, ignora por completo la materia ordinaria y la luz. La materia oscura ni siquiera le gusta mucho la otra materia oscura. Si el Universo fuera su vecindario local, la materia oscura es la familia que se comunica con todos, incluso con otros miembros de la familia, solo cambiando el nombre de su red WiFi.

Más en serio, las partículas de materia oscura son masivas, pero no parecen tener carga o un momento magnético, por lo que todo lo que sienten es la fuerza de la gravedad. La única forma en que ejercen fuerzas sobre otras partículas es a través de la gravedad.

No ver no es creer

La materia oscura no es una explicación irracional para nuestras observaciones, pero no es la única explicación posible para el comportamiento de las galaxias. Puedes, por ejemplo, modificar la ley de la gravedad. Muchas de estas alternativas, denominadas Dinámicas Newtonianas Modificadas (MOND), comenzaron como ejercicios de ajuste de curvas: aquí están los datos, ¿cómo debería modificarse la gravedad para que quepa?

El obstáculo ha sido descubrir la razón física subyacente de la nueva ley. Esto es realmente una gran pregunta. En un universo 3D con un espacio-tiempo plano, la conservación de la energía y el momento automáticamente le da a las fuerzas como la gravedad y la electrostática una dependencia espacial (la fuerza cae como el cuadrado de la distancia). Estas leyes son una consecuencia de la naturaleza del Universo, por lo que los cambios en las leyes también tienen que depender de la naturaleza fundamental del Universo. Complementos ad hoc no son apreciados.

Sin embargo, el Universo no tiene un espacio-tiempo completamente plano. En cambio, el espacio-tiempo se deforma y fluye alrededor de objetos masivos, lo que proporciona una pizca de esperanza para las teorías alternativas de la gravedad. Una nueva clase de gravedades teóricas se deslizó fuera de este barro, para la alegría de los teóricos que usan gumboot. Para las versiones de MOND que nos interesan hoy, la idea básica es esta: no hay materia oscura, pero hay dos métricas diferentes: las métricas son espacios-tiempos acoplados a la materia.

Una métrica está acoplada a la materia ordinaria. La materia ligera y ordinaria baila juntos en este escenario y nos proporcionan un espectáculo espectacular. Las ondas gravitacionales, por otro lado, tienen una métrica completamente diferente que, por razones que se conocen mejor, está deformada. Su forma deformada es lo que percibimos como materia oscura.

Entonces, no hay materia oscura; en cambio, el espacio-tiempo se deforma naturalmente en ausencia de materia oscura. Es como si a la materia ordinaria y a la luz se le diera un bonito y brillante espacio-tiempo que es plano y hermoso, mientras que a la gravedad se le dio un espacio-tiempo usado que se había desviado debido a una serie de pequeños accidentes de estacionamiento. El resultado de esto es que las galaxias se mueven como superpetroleros, pero parecen dinghies.

Estas dos métricas aparentemente independientes pueden explicar las estructuras de las galaxias y las colisiones entre los cúmulos de galaxias, pero la idea tiene consecuencias. Por ejemplo, si algo debe emitir tanto ondas gravitatorias como luz, las dos ondas viajarán por diferentes caminos dependiendo de las masas que encuentren. Entonces, la luz y las ondas gravitatorias no llegarán a un punto de observación distante al mismo tiempo.

Trae las estrellas de neutrones que bailan

Y este es el regalo que los observatorios de ondas gravitacionales nos han dado. Cuando dos estrellas de neutrones se formaron una espiral y se fusionaron, liberaron una gran cantidad de energía como ondas gravitatorias y de luz. Tres detectores de ondas gravitacionales recogieron las ondas gravitacionales emitidas durante la espiral y la fusión, mientras que el telescopio Fermi captó la explosión de rayos gamma liberada cuando las estrellas se fusionaron. En el transcurso de los días siguientes, muchos telescopios observaron la emisión de luz de los desechos de refrigeración que se precipitaban hacia el exterior desde la fusión. En resumen, fue una bonanza de datos que nunca volveremos a ver.

La luz y las ondas gravitacionales viajan a lo largo de la línea de visión directa hacia nosotros, curvándose alrededor de los pozos de gravedad de las galaxias intermedias a lo largo del camino. Como resultado, el estallido inicial de luz y las ondas gravitacionales ocultaron una pequeña gema: la diferencia de tiempo entre la llegada de las ondas gravitatorias y la luz. Todos 1.7 segundos de eso. Sí, ese fue el retraso registrado entre las dos señales.

"¡Hurra!", Escuché que algunos de ustedes, quienes dudaban de la materia oscura, gritaban, ya que la diferencia parecía apoyar la idea de que enfrentaban dos gravedades diferentes. Eso sería un aplauso prematuro. Recuerde, la materia oscura constituye la mayor parte de la masa en una galaxia, por lo que las galaxias entre nosotros y las estrellas de neutrones (incluida nuestra propia Vía Láctea) deberían proporcionar dos caminos muy diferentes para las ondas gravitacionales y de luz. La demora debería haber sido más larga si MOND fuera correcto. Mucho más: aproximadamente tres años, de hecho.

El retraso medido fue mucho más corto que la diferencia predicha por las teorías de doble métrica de que los investigadores ni siquiera se molestaron en realizar cálculos más detallados. En su opinión, no hay forma de incluir las galaxias intermedias y excluir la materia oscura. Esta es una teoría MOND muerta.

En otras noticias, Einstein todavía tiene razón

En el camino, los investigadores observaron un tema relacionado, llamado el principio de equivalencia débil. La idea es simple: la caída libre es la misma para todos y para todo. No importa cuál es tu estructura interna ni cuál es tu masa; si te encuentras en un campo gravitatorio, te comportarás exactamente igual que tu vecino. Las ondas gravitatorias y las ondas electromagnéticas son ambas transportadas por partículas: el gravitón y el fotón. La llegada casi simultánea de los dos muestra que también experimentaron el mismo campo gravitacional y fueron influenciados de la misma manera. O más precisamente, la diferencia máxima es menos de cuatro partes en 100 millones.

Esencialmente, este análisis muestra que los fotones y los gravitones viajan en métricas casi idénticas. Y, incluso en la misma métrica, experimentan prácticamente los mismos campos gravitacionales, es decir, el acoplamiento entre la partícula y el campo gravitacional es el mismo para ambos. Esto también significa que cualquier teoría nueva de la gravedad debe respetar el principio de equivalencia débil.

El Zombie MOND regresará

Sí, MOND volverá. En primer lugar, esto no elimina todas las teorías de MOND. Hay aquellos que simplemente no postulan una base física subyacente para el cambio en las leyes gravitacionales. Sin una razón, no pueden ser eliminados. Luego están aquellos que no usan una métrica extraña para separar la gravitación de todo lo demás. Estos tampoco son, a primera vista, eliminados.

Inusualmente, voy a ser un poco cauteloso aquí. No está claro que las restantes teorías MOND no tengan su éxito o falla ocultos en los datos de fusión de estrellas de neutrones. Puede ser que nadie haya probado las predicciones que hacen sobre el comportamiento de las ondas gravitacionales (o que la fusión no satisfaga las condiciones de las predicciones). La naturaleza humana también juega un papel. Ningún teórico deja morir una buena idea sin luchar. Puedes estar seguro de que varios de ellos ya están trabajando para ver si hay algún espacio para escabullirse que pueda permitir que su teoría escape, con cicatrices pero con vida.

Entonces, como de costumbre, las conclusiones no son tan sencillas como nos gustaría, pero eso es ciencia, y es divertido ver el espectáculo.


2017: arXiv.org, ID: 1710.06168v1

CHRIS LEE
Chris escribe para la sección de ciencia de Ars Technica. Físico de día y escritor de ciencia por la noche, se especializa en física cuántica y óptica. Vive y trabaja en Eindhoven, Países Bajos.

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