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N. 1-1999

SUMARIO

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Galaxia espiral NGC 7774. La curva de rotación del hidrógeno neutro en galaxias de este tipo fue la base del desarrollo de MOND.

ENTREVISTA CON ROBERT H. SANDERS:
"La alternativa a la materia oscura cósmica"

En su intervención como participante en los Coloquios IAC, el pasado 6 de mayo, Robert H. Sanders, del Instituto de Astronomía Kapteyn (Países Bajos), propuso una hipótesis poco convencional para explicar la discrepancia que encuentran los astrofísicos entre la materia directamente observable en las galaxias y cúmulos de galaxias y la que debería haber por los datos de la dinámica de estos sistemas. Según Sanders, esa diferencia se explica recurriendo a la densidad de la energía del vacío más que a la existencia de materia oscura invisible para los telescopios convencionales. Para ello aplica la Dinámica Newtoniana Modificada (MOND), propuesta en 1983 por M. Milgrom, de la Institución Weizmann (Israel), una "adaptación de la dinámica de Newton para predecir las curvas de rotación de las galaxias o la magnitud de la discrepancia en la masa de los cúmulos de galaxias a aceleraciones muy bajas, sin recurrir a la materia oscura". Se trata de un enfoque realmente heterodoxo para la cosmología actual y cuenta con escasos seguidores, quizá sea su carácter fenomenológico, el hecho de que haya sido elaborado expresamente para ajustar la teoría a las observaciones, lo que siembra la duda entre los cosmólogos a la hora de apoyar sus tesis.

Ir a imagen ampliada (54Kb)Robert H. Sanders

¿Qué es la materia oscura?

"La materia oscura es la materia que se supone debería explicar la diferencia entre lo observado en las galaxias y en los cúmulos de galaxias, por ejemplo, y lo que se espera que haya por los datos gravitatorios. Se puede estimar la cantidad de materia contenida en una galaxia mediante su curva de rotación, es decir, viendo la variación de la velocidad frente al radio, lo que nos da una estimación de la cantidad de masa contenida en un radio dado. También podemos estimar la cantidad de materia a través de la masa observable de las estrellas, de la razón masa-luz observable de determinadas poblaciones de estrellas, etc. Las galaxias espirales, por ejemplo, deben tener una razón masa-luz de 1 ó 2, se puede estimar la masa en materia visible. Normalmente existe una enorme diferencia: dinámicamente se necesita mucha más masa que la observada en forma de estrellas visibles y en galaxias. La materia oscura, desde el punto de vista astronómico, es la cantidad de materia necesaria para salvar esa diferencia.

Ahora bien, ¿qué puede ser? Hay varias ideas en torno a lo que podría ser realmente la materia oscura. La idea más popular últimamente es que se trata de una hipotética partícula cuya interacción con la materia ordinaria es muy débil. Sin embargo, aún no se ha detectado ninguna partícula en experimentos en laboratorio que reúna las propiedades adecuadas como para constituir la materia oscura. De modo que tendría que ser alguna clase de partícula nueva. El tipo de materia oscura que prefiere la mayoría involucra también una nueva Física."

¿Sugiere usted una alternativa a lo que hasta ahora han sido los candidatos tradicionales a materia oscura, como la masa del neutrino, la contenida en forma de enanas marrones, MACHOs, WIMPs, etc? ¿o podría incluir a los candidatos tradicionales?

"Podría incluir a los candidatos tradicionales. Podría haber varias clases de materia oscura. Por ejemplo, la materia bariónica ordinaria, la clase de materia contenida en las estrellas, el gas de las galaxias; si miramos la razón masa-luz de las galaxias podemos estimar la cantidad de materia bariónica que existe en forma visible. Dependiendo de cómo se haga puede resultar un factor de 5 ó 10 inferior a la cantidad de materia bariónica que podríamos prever partiendo de las consideraciones de la nucleosíntesis primordial. En el Universo temprano se formaron muchos de los isótopos ligeros, como el helio. Para ello se necesita una cierta cantidad de materia bariónica, que se puede estimar partiendo de estas consideraciones de la nucleosíntesis; teniendo en cuenta la cantidad de helio que hay en el Universo y que se formó en el Big Bang, deducimos que se necesita aproximadamente un factor de 5 veces más materia bariónica en el Universo de la que podemos observar en las galaxias. Por eso algunos investigadores sostienen que debe haber otras formas de materia oscura bariónica, como los MACHOs, etc. Por alguna razón nos gusta pensar en una partícula de materia oscura, como los neutrinos. Parece que, efectivamente, los neutrinos tienen una masa. Recientemente se ha descubierto que oscilan, con lo que pueden tener una masa muy baja, que probablemente es cosmológicamente insignificante. Quizá podrían suponer la misma cantidad de masa que se encuentra en las estrellas visibles, lo que en sí no puede resolver ni siquiera el problema de las curvas de rotación de las galaxias, no podemos completar la materia que falta contando con los neutrinos. Así que necesitamos algo más. Creo que lo que la mayoría de la gente prefiere es una hipotética partícula que pueda aumentar la densidad del Universo hasta un valor de W cercano a 0,2 ó 0,3, es decir, un 20% o un 30% de la materia necesaria para hacer un Universo cerrado debería encontrarse en algún tipo de partícula nueva que nadie sabe cómo podría ser."

¿Tendría eso algún tipo de implicaciones nuevas para la cosmología, o encajaría este supuesto en las posibilidades que se barajan hoy?

"Encajaría perfectamente en la cosmología estándar. Por diversas razones, a veces cuasifilosóficas, en un pasado reciente se pretendía que la densidad del Universo debida a esta masa indetectable fuera igual a la densidad crítica, es decir, que el valor de W fuese 1. El hecho de que el valor de W sea muy cercano a 1 pero no igual requiere un ajuste muy afinado de los parámetros en el universo temprano. Hoy en la cosmología aún se nota el efecto del valor W = 1, pero sólo el 10% o el 20% se encuentra en forma de materia ordinaria o en esas partículas extrañas, el resto está en el vacío, esa sería la contribución de la densidad de la energía del vacío a un universo cerrado. La densidad de la energía del vacío es la que hace que la densidad del Universo alcance el valor crítico de 1; y esta densidad de la energía del vacío aparece en las ecuaciones de gravedad de Einstein como una constante cosmológica. Quizá por eso en cierto sentido la constante cosmológica se está poniendo ahora de moda. Por otro lado, la observación reciente de supernovas muy distantes ha permitido medir su brillo, considerado una especie de "vela estándar", y correlacionarlo con el corrimiento al rojo; los resultados indican que el Universo se expande de forma exponencial, tal y como cabría esperar con una constante cosmológica distinta de cero. Todo esto es parte de la cosmología estándar. En cuanto a la masa del Universo, quizá un 0,5% se encuentre en forma de estrellas visibles, en total la materia bariónica ocuparía el 2% ó 3%, luego en esta extraña forma de materia oscura habría un 20-30%, y el resto es la constante cosmológica."

"Entre los cosmólogos a veces hay corrientes o ‘modas’, y lo que está de moda ahora es un panorama como el que acabo de esbozar, en el que la mayor parte de la densidad de energía del Universo está en forma, por así decirlo, cosmológica, en la energía del vacío. El resto se comparte entre la materia oscura, es decir, partículas masivas de interacción débil, que estarían en segundo lugar, y el material bariónico que puede encontrarse en el gas intergaláctico, enanas marrones y materia invisible. Esa es la visión estándar que está de moda ahora. Hace cinco años la moda era otra. La mayoría de los cosmólogos pensaban que el valor W debía ser igual a 1, que debía ser igual a la densidad crítica y que debía encontrarse en estas partículas masivas, la constante cosmológica sólo ha adquirido cierta importancia desde hace un año o así, con las observaciones de estas supernovas lejanas."

¿Cuenta esta teoría de la mecánica newtoniana modificada con algún apoyo observacional?

"Sí. La sistemática de la curva de rotación de las galaxias espirales es el mayor apoyo observacional con el que contamos. Existe una relación velocidad-luminosidad en las galaxias espirales de modo que la luminosidad es proporcional a la cuarta potencia de la velocidad de rotación. Es una relación muy concreta, llamada la relación Tully-Fischer por los astrónomos que la descubrieron hace veinte o veinticinco años. Es muy buena, una de las mejores relaciones observables en astronomía extragaláctica. Uno podría pensar que tiene que haber una razón muy buena para que exista una relación así, y lo que dice la MOND propuesta por Milgrom es que esta relación no es de hecho más que la ley de Keppler para las galaxias cuando se trata de aceleraciones muy bajas. Es una relación absoluta, la aplicación directa de una ley física, por eso es tan estrecha, tan exacta. Los que quieren formar galaxias en un contexto de materia oscura tienen problemas al establecer una relación tan estrecha; aunque, en general, cabe esperar que las galaxias más luminosas y más masivas tengan una velocidad de rotación mayor, hay que sintonizar muy bien las cosas para conseguir una relación tan exacta.

Uno de los puntos más importantes de la MOND es que la existencia de una relación luminosidad-velocidad sumamente estrecha, que debe traducirse finalmente en una relación masa-velocidad, surge de una forma completamente natural, es un resultado de una ley física, del modo en que funciona la gravedad o la dinámica a escalas astronómicas. Otro punto importante es que esta especie de ‘prescripción matemática’ que Milgrom sugirió en 1983 puede usarse para calcular cuál debería ser el período de rotación de las galaxias partiendo de la distribución observada de la materia y, en la mayoría de los casos, la curva de rotación teórica coincide perfectamente con la observada. Y eso es algo extraordinario, es para lo que realmente debería servir la teoría de la gravedad: para observar la distribución de materia y calcular a partir de ahí la velocidad de rotación, la forma en que actúa la fuerza, etc. Esta fórmula matemática tan simple permite hacerlo con gran precisión, esa es la gran virtud de esta idea de Milgrom. Hay un único parámetro indeterminado a la hora de ajustar el modelo de curva de rotación con las observaciones, y es la razón masa-luz de la galaxia observable; su valor es muy razonable, 1 ó 2, con muy poco margen de amplitud. Es un logro que no han conseguido las teorías de la materia oscura hasta ahora, en las que siempre aparecen varios parámetros ajustables; en un sentido amplio, si la materia es oscura, puedes distribuirla como quieras, con lo que se puede explicar cualquier curva de rotación.

El punto débil de la MOND es el hecho de que sea una sugerencia fenomenológica, hecha ad hoc. Se ha modificado la ley de la gravedad de Newton o la ley de la dinámica de Newton para predecir las curvas de rotación de las galaxias, o la magnitud de la discrepancia en la masa de los cúmulos de galaxias, sin tener fundamentos teóricos más sólidos. No existe actualmente ninguna teoría física de base que sustente este tipo de fenomenología en un universo a baja aceleración. Podemos decir que es una crítica justificada pero es que, al mismo tiempo, funciona muy bien. Es necesario buscar alguna física de base que pueda explicar este tipo de fenómenos. Es un trabajo de teóricos y, probablemente, más de físicos que de astrofísicos, pues el trabajo de un astrofísico consiste en explicar los fenómenos celestes partiendo de leyes físicas conocidas. Son los físicos los que se sienten más cómodos trabajando en el límite de la Física, cambiando sus leyes."

PERFIL
Robert H. Sanders se doctoró en la Universidad de Princeton (EEUU) en 1970. Trabajó en la Universidad de Columbia, en el National Radio Astronomy Observatory y en la Universidad de Pittsburgh. Desde 1979 es Profesor del Instituto Kapteyn de la Universidad de Groningen (Países Bajos).

Entre sus intereses se cuenta el estudio de los núcleos activos de galaxias, del centro de la Vía Láctea, la estructura y dinámica de las galaxias, las teorías de la gravedad y la cosmología.

Sus trabajos sobre los bulbos y las barras de las galaxias le llevaron a plantear modificaciones en la física clásica para ajustarse a las observaciones. En un principio sus postulados no coincidían con la mecánica newtoniana modificada de Milgrom pero, como él mismo admite, tuvo que rendirse a la evidencia de que la MOND propuesta por el astrónomo israelita es la mejor manera de calcular las curvas de rotación de las galaxias.

Renococe lo heterodoxo de sus planteamientos lo que, según confiesa, no deja de tener sus consecuencias sociales. No está solo en su empeño y en su equipo hay astrofísicos tanto teóricos como observacionales.

El éxito de la MOND en la física de galaxias hace pensar a Sanders en el desafío de su aplicación relativista.

Imagen de R. Sanders (tif 5896KB)

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