¿Puede la Materia Oscura Superfluida superar la velocidad de la luz?

• Título original: Acausality in Superfluid Dark Matter and MOND-like Theories.
• Autores: Mark P. Hertzberg, Jacob A. Litterer, Neil Shah
• Institución del primer autor: Institute of Cosmology, Department of Physics and Astronomy, Tufts University, Medford, MA 02155, USA.
• Etiquetas: cosmología, galaxias, gravedad, gravedad modificada, matéria oscura.
• Estado de la publicación: enviado, disponible en ArXiv.

Imagen destacada. Simulación de la distribución de materia oscura en el universo, por the EAGLE Project.

El modelo cosmológico actual es llamado ΛCDM por sus componentes, que son la constante cosmológica Λ en representación de la energía oscura, y CDM en representación de la materia oscura fría (Cold Dark Matter en inglés). En añadido a esto, hay también la matéria ordinaria o bariónica, y una muy pequeña fracción de luz y neutrinos.

En él, la materia oscura actúa como el pegamento gravitatorio que mantiene galaxias y cumulos de galáxias unidos. Su existencia nunca ha sido experimentalmente detectada, pero su presencia es muy notoria. Por ejemplo, si las galaxias estubieran compuestas sólamente por la materia visible, estas se desintegrarían pues no habría suficiente gravedad para mantener las estrellas en órbita. El nombre de materia oscura fria viene del hecho de que 1) no interactúa electromagménicamente, es decir, que no emite o absorbe luz, y 2) de que se cree que está compuesta por un fluido de partículas que se mueve a velocidades pequeñas comparadas con la de la luz, es decir, que no es “caliente”.

Con estas propiedades, la materia oscura no solo explica la evolución del universo a gran escala con gran éxito, sino que también el comportamiento de los cúmulos de galaxias, la formación de galaxias, su rotación, y también los anillos de Einstein (Imagen 1). Sin embargo, algunos físicos creen que la materia oscura es un concepto artificioso creado para cubrir nuestro pobre conocimiento sobre el funcionamento de la gravedad a grandes escalas. Estos son los proponentes de las teorías de gravedad modificada o MOND (de MOdifyed Newtonian Mechanics en inglés).

¿Por qué las teorías MOND?

Más allá de considerar la materia oscura un concepto artificioso, sus críticos describen escenarios donde la materia oscura supuestamente falla al describir las galaxias. El más evidente de ellos hace referencia a la relación Tully-Fisher (Imagen 2). Esta relación empírica muestra que la masa de una galaxia crece de forma más o menos proporcional con la potencia a la cuarta de su velocidad de rotación (M~v⁴). Sin embargo, la mayoría de modelos que incluyen la materia oscura predicen que esta debería de crecer más bien con el cubo de la velociad (M~v³). Como solución, algunos han propuesto que la gravedad se comporta de forma diferente cuando su fuerza es muy débil, como es en el caso de las grandes distancias galácticas. Es más, sin usar materia oscura, modificando la ley de gravitación universal se puede ver rápidamente que la velocidad orbital de un objeto v escale con la raiz quarta de la massa M a la que orbita (M~v⁴)  a distancias galácticas.

Hay aún más problemas de el modelo ΛCDM que se solucionan invocando a la gravedad modificada, relacionándose por ejemplo con la abundancia de galaxias enanas y la dirección de rotación de galáxias satélites de la Vía Láctea. Sin embargo, si tan evidente es que una gravedad modificada soluciona muchos problemas sin el uso de materia oscura, ¿por qué no han abrazado este concepto la mayoría de astrónomos?

Los (muchos) problemas de las teorías MOND

El gran problema de las teorías MOND es que, pese a que solucionan algunas particularidades a escala galáctica, fallan estrepitosamente a la hora de explicar la evolución del universo a gran escala, donde el modelo ΛCDM gobierna con clara supremacía. No solamente esto, sino que los componentes del ΛCDM, a diferencia de las MOND, tienen una explicación en la microfísica. La existencia de la materia bariónica y la radiación son bien explicadas por la mecánica cuántica; la constante cosmológica puede ser fácilmente introducida en la Relatividad General sin modificar la teoría, e incluso de la materia oscura se puede esperar una descripción cuántica. Sin embargo, la introducción de la gravedad modificada es arbitraria y puede violar el principio de invariancia de Lorenz y el principio de localidad.

Los autores del artículo discuten la viabilidad de diversas teorías donde, en lugar de modificar la gravedad, se modifica análogamente el comportamiento de la materia oscura a escalas galácticas. De esta forma, la materia oscura se adaptaría al modelo ΛCDM para distancias cosmológicas, mientras que repetiría los mismos efectos de las MOND a distancias galácticas. Estas teorías se conocen como materia oscura superfluida, y el truco consiste es construir un modelo adecuado para la interacción entre supuestas partículas de materia oscura a nivel cuántico, que luego se manifestaría en su comportamiento a gran escala.

Invariancia de Lorentz y localidad: ¿Qué son y cómo se comen?

Los puntos en los que más se centran son que estas teorías cumplan la invariancia de Lorentz y el principio de localidad. ¿Qué significa esto? El primero significa que las leyes de la física deben de ser iguales en todos los sistemas de referencia inerciales, o en palabras más mundanas, que un observador experimentaría las mismas leyes de la física en su casa, en un tren en movimiento, o afuera de la Via Láctea. Localidad significa que la información no se transmite más rápido que la velocidad de la luz. En efectos prácticos, esto implica que partículas u ondas no se pueden mover más rápido que la velocidad de la luz.

Para poner un ejemplo simple, una teoría que viola ambos principios es la cinemática de Galileo. Según Galielo, si tu amigo/a lanza una pelota hacia el frente de un tren en marcha, tú que estás quieto/a afuera del tren vas a ver que la velocidad de la pelota es aquella con la que ha sido lanzada más la velocidad del tren (Imagen 3, primera equación). ¿Lógico, no? No tan rápido, pues según esta descripción, si tu amigo/a lanzase la pelota a la velocidad de la luz, ¡esto signficaría que tú ves la pelota moviéndose más rápido que la velocidad de la luz! Esto viola muy claramente el principio de localidad, y también el de invarianza de Lorentz, ya que la velocidad de la luz podría ser un límite en el tren, pero no fuera de él. Así pues, la cinemática Galileana es incorrecta, y debe de ser reemplazada por la Relatividad Especial y sus transformaciones de Lorentz. En esta nueva teoría, diferentes observadores percibirán diferentes distancias, intérvalos de tiempo y velocidades, pero para todos ellos la velocidad de la luz será un límite absoluto (Imagen 3, segunda equación).

Sin embargo, la cinemática Galileana es usada de forma efectiva en nuestras vidas, ya que la segunda equación en la Imagen 3 se convierte en la primera si las velocidades del tren y la pelota son muy pequeñas comparadas con la de la luz, como suele pasar en el día a día. Parecidamente, existen modelos de materia oscura que se adaptan al comportamiento de las teorías MOND y funcionan de forma efectiva, pero que pueden contiener fallos que violen la invariancia de Lorentz y el principio de localidad, y en esto en particular se fijan los autores de este artículo.

Resultados

Tras un riguroso análisis matemático de diversos modelos de materia oscura superfluida propuestos recientemente en la literatura, los autores concluyen que si bien cumplen con la invariancia de Lorentz, todos ellos requieren violar el principio de localidad para funcionar. Así pues, los modelos que intentan unir MOND con ΛCDM requieren la violación del principio básico de que ningún objeto u onda puede viajar más rápido que la luz, haciéndolos incompatibles con la física moderna.

¿Qué significa esto para las teorías MOND en general? Los autores creen que, si bien esta evidencia no descarta completamente estas teorías, sí que las ponen en un todavía mayor entredicho. De hecho, ya en la introducción del artículo, aseguran que esperan que los extraños fenómenos observados a escalas galácticas podrán ser explicados en el marco de ΛCDM en un futuro. Sin embargo, dejan caer la idea de que, si llegara el momento de que los modelos de materia oscura superfluida fueran comprobados experimentalmente, esta seria una espectacular revolución en la física.