El telescopio espacial James Webb encuentra evidencia de una teoría alternativa de la gravedad

 (thedebrief.org)
4 puntos por GN⁺ 2024-11-17 | 1 comentarios | Compartir por WhatsApp
  • Las observaciones de galaxias antiguas hechas por el JWST aumentan la posibilidad de que las galaxias se hayan formado más rápido de lo esperado en el universo temprano, lo que lleva a volver a comparar la explicación estándar Lambda-CDM con las predicciones de MOND
  • El modelo estándar de materia oscura sostiene que las galaxias tempranas comenzaron siendo pequeñas y tenues y crecieron lentamente, pero las galaxias observadas se acercan más a una forma brillante, grande y suficientemente desarrollada
  • Stacy McGaugh, de Case Western Reserve University, y sus colegas predijeron en 1998 que las galaxias podían formarse rápidamente incluso sin materia oscura, y consideran que los datos recientes del JWST están más cerca de esa predicción
  • MOND es una teoría que intenta explicar las discrepancias en las curvas de rotación galáctica modificando la segunda ley de Newton, pero todavía no existe un marco completo compatible con la relatividad general de Einstein
  • Lambda-CDM es un modelo ampliamente respaldado que explica la tasa de expansión del universo y su estructura casi plana, y algunas mediciones astronómicas modernas todavía respaldan la hipótesis de la materia oscura

Las observaciones del JWST sacuden el escenario de formación de galaxias tempranas

  • El James Webb Space Telescope está observando las regiones más lejanas del universo para estudiar galaxias antiguas del pasado
  • Investigadores de Case Western Reserve University consideran que los escaneos de galaxias antiguas recopilados por el JWST chocan con las predicciones de Lambda-CDM, la ampliamente aceptada teoría de Cold Dark Matter
  • Los valores observados se interpretan como un caso que encaja mejor con la teoría alternativa de la gravedad Modified Newtonian Dynamics (MOND)
  • Si este resultado es correcto, astrónomos y cosmólogos tendrán que volver a examinar MOND, que durante mucho tiempo ha sido objeto de debate

El crecimiento lento que esperaba Lambda-CDM

  • El modelo Lambda-CDM considera que la materia oscura es esencial para explicar la estructura del universo
  • En este modelo, la influencia gravitacional de la materia oscura impulsa la formación de galaxias y de estructuras a gran escala
  • Las galaxias antiguas del universo temprano deberían ser pequeñas y tenues, porque se agrupan gradualmente a lo largo del tiempo cósmico bajo la acción de la materia oscura
  • McGaugh considera que, si Lambda-CDM es correcto, la gravedad adicional de la materia oscura debería atraer lentamente hacia el centro pequeños fragmentos de materia alrededor de las galaxias tempranas
  • Sin embargo, las galaxias que el JWST observó en un pasado más remoto aparecen con una forma brillante, grande y suficientemente desarrollada

La rápida formación de estructuras que explica MOND

  • MOND es una teoría propuesta por primera vez en 1983 por el físico israelí Mordehai Milgrom
  • Esta teoría modifica la segunda ley de Newton para explicar las discrepancias en las curvas de rotación galáctica sin introducir materia oscura
  • La modificación de MOND se vuelve importante en regiones donde la aceleración es muy pequeña, como en la periferia del universo que observa el JWST
  • En 1998, McGaugh coescribió junto con Federico Lelli, Jay Franck, James Schombert y otros un artículo que sostenía que la formación de galaxias ocurre más rápido y no depende de la materia oscura
  • En esa hipótesis, la materia galáctica se agrupa rápidamente, luego se expande junto con el universo y después colapsa bajo la gravedad para formar desde temprano estructuras grandes y brillantes

Comparación entre los datos del JWST y las predicciones previas

  • McGaugh y sus colegas consideran que los datos del JWST están más cerca de las predicciones de los defensores de MOND que del modelo Lambda-CDM
  • Como ejemplo, McGaugh considera que la predicción basada en MOND de R H Sanders coincidió con las observaciones con mayor precisión que la predicción de Mo, Mao y White, partidarios de Lambda-CDM
  • Que un hecho no encaje con un modelo no significa de inmediato que haya que descartarlo, pero si no puede explicar suficientemente los datos observacionales, su marco teórico puede debilitarse
  • Algunas mediciones astronómicas modernas todavía apoyan la hipótesis de la materia oscura

Lambda-CDM sigue recibiendo apoyo

  • Aunque MOND parece explicar bien algunas observaciones del JWST, Lambda-CDM sigue contando con amplio respaldo
  • Lambda-CDM ha predicho con precisión la tasa de expansión del universo desde la década de 1920
  • La evidencia de la constante cosmológica que mantiene al universo en expansión continua también está incluida dentro del marco de Lambda-CDM
  • El universo es casi plano, como requiere Lambda-CDM, aunque pequeñas desviaciones siguen siendo un área que requiere más investigación
  • La comunidad astrofísica en general considera que Lambda-CDM ha resistido muchas pruebas y ofrece un marco coherente para comprender el universo

Retos pendientes y el artículo

  • McGaugh reconoce que la tarea de encontrar una teoría compatible tanto con la relatividad general como con MOND todavía no se ha concretado
  • Los resultados que muestra el JWST no coinciden con la expectativa de que las grandes galaxias del universo cercano habrían comenzado a partir de fragmentos muy pequeños
  • McGaugh dice que la esencia del método científico es hacer predicciones y comprobar cuáles son correctas
  • El artículo relacionado Accelerated Structure Formation: The Early Emergence of Massive Galaxies and Clusters of Galaxies fue publicado en The Astrophysical Journal el 12 de noviembre de 2024

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1 comentarios

 
GN⁺ 2024-11-17
Opiniones en Hacker News

  • Creo que este artículo, en el mejor de los casos, induce a malentendidos. Dice algo como que “los escaneos de galaxias antiguas recopilados por el JWST parecen contradecir las predicciones del ΛCDM, el modelo más aceptado”, pero ΛCDM no predice cómo deberían verse las galaxias, sino cuánta masa hay dentro de las estructuras colapsadas y que los halos de materia oscura crecen de forma jerárquica.
    En cambio, con el JWST vemos luz y tenemos que inferir las propiedades físicas reales de esos sistemas. Desde muy temprano ya había resultados que mostraban que, si se toma el límite teórico superior —es decir, si se supone que todo el gas dentro de una estructura colapsada se convierte en estrellas—, se obtiene una función de luminosidad varios órdenes de magnitud por encima de lo observado por el JWST: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023MNRAS.521..497M/abstra...
    Por eso, incluso dentro de ΛCDM hay bastante margen para que existan galaxias tempranas que parezcan brillantes, grandes y masivas. Con los datos actuales del JWST sobre el universo temprano, creo que todo es demasiado sensible al modelo de formación galáctica adoptado como para respaldar o refutar ΛCDM de manera convincente.

    • Una explicación del tipo “es demasiado sensible al modelo de formación galáctica adoptado como para respaldar o refutar ΛCDM de manera convincente” no era en absoluto la forma en que se presentaba ΛCDM antes del Webb. En ese momento era una teoría bien valorada, y se esperaba que los nuevos datos acotaran mejor los límites y permitieran pasar a la siguiente etapa, como ocurrió con la detección del Higgs.
      Pero en la práctica esto se parece más a un caos: no se vio lo que se esperaba, y ahora da la impresión de que se está retrocediendo a un “bueno, pero no se ha demostrado exactamente que ΛCDM sea falso, ¿no?”. Eso no significa que ΛCDM sea falso ni que MOND sea correcto, pero definitivamente parece un momento de cambio de paradigma kuhniano, así que creo que hay que examinar seriamente ideas más amplias.
    • Me parece raro señalar como problema que el JWST solo ve luz. Toda la teoría de la materia oscura se construyó a partir de objetos que emiten luz, y no existe ese contraste entre el enfoque del JWST y otros métodos.
      Desmerecer al JWST porque solo puede ver luz es parecido a desmerecer a Galileo porque solo pudo construir un telescopio. Sería genial poder teletransportarnos al objeto de estudio y obtener más información, pero en la realidad hay que atenerse a las reglas de la realidad. Además, creo que el argumento de que “es sensible al modelo de formación galáctica” es poner el carro delante de los caballos, así que no me parece válido.

  • Lo que siempre me hace tropezar con MOND es la relatividad general. Sé que la gravedad no es newtoniana y que la ley del inverso del cuadrado no se cumple tal cual. Un modelo de gravedad basado en la ley del inverso del cuadrado es simplemente un modelo incorrecto.
    El enlace de otro comentario, https://tritonstation.com/new-blog-page/, es un excelente texto, y plantea el argumento de que la relatividad general nunca se ha verificado en el régimen de bajas aceleraciones y podría estar equivocada. Pero también sabemos que MOND falla a altas aceleraciones. Si no puede abarcar ambos lados, me cuesta verlo como una mejora de la RG. Puede que la forma de decirlo suene algo agresiva, pero creo que la investigación en gravedad modificada es muy valiosa; simplemente no es una solución universal.

    • MOND no se presentó como una mejora de la RG. Como indica su nombre, originalmente era una teoría de dinámica newtoniana.
      También existen versiones relativistas de MOND, como TeVeS https://en.m.wikipedia.org/wiki/Tensor%E2%80%93vector%E2%80%..., pero siguen teniendo varios problemas.
    • La relatividad general tampoco encaja con la mecánica cuántica en condiciones extremas, así que, si la mecánica cuántica no está equivocada, en la práctica la RG también tiene partes incorrectas. Por eso quizá no sea apropiado aceptar la RG como si fuera un evangelio.
      En particular, parece que MOND solo modifica la RG en condiciones extremas, y puede que “no encaja” en realidad signifique que las matemáticas son difíciles y que los físicos todavía no han trabajado lo suficiente en ello. Aceptar una RG modificada al estilo MOND difícilmente cambiaría la forma en que funciona el GPS, así que no creo que baste decir “la RG ha resistido la prueba del tiempo y de la ingeniería” para refutar por completo a MOND.
    • La afirmación de que la gravedad no es newtoniana y que la ley del inverso del cuadrado no se cumple necesita respaldo. Fuera de entornos extremos de masa y energía, hay algo muy cercano a un consenso en que la gravedad funciona como la describió Newton hasta una enorme cantidad de cifras significativas.
      No quiero decir que la relatividad general sea falsa, sino que a escala galáctica la gravedad funciona de forma newtoniana y los efectos de la RG son extremadamente pequeños.
    • No soy físico, pero veo el mismo error en muchos lados. El teorema de la cáscara no se aplica a discos ni a galaxias.
      Incluso en textos avanzados se repite la simplificación de tratar la materia dentro de cierto radio como una masa puntual en el centro y de ignorar la gravedad de la masa fuera de ese radio porque se cancela mutuamente. Esa simplificación funciona para cáscaras esféricas de densidad uniforme o sólidos esféricos, pero no se aplica a discos ni anillos, es decir, a galaxias.
    • En MOND sí existen generalizaciones relativistas que, a bajas energías, se simplifican a la dinámica MOND. Dicho eso, aunque no soy especialista en el área, entiendo que esas teorías son más bien soluciones ad hoc, con poca calculabilidad, y por eso no se las toma demasiado en serio.
      Parece que en MOND la “labor real” se hace mayormente en su forma clásica, y eso se ve como una trampa bastante grande. Se puede construir una gran teoría sobre una conjetura, pero hay que esforzarse por demostrar esa conjetura.

  • Lo presentan como “evidencia sorprendente”, pero luego lo formulan de manera condicional: “las observaciones parecen respaldar la base de MOND, lo que podría llevar a astrónomos y cosmólogos a reconsiderar esta teoría alternativa de la gravedad, largamente polémica”. No sé qué sería evidencia condicional, y quizá me esté perdiendo el panorama completo, pero esta forma de escribir es, en el mejor de los casos, imprecisa.

    • Es el típico periodismo de divulgación científica, con un título pensado para generar clics. Mejor leer el paper.
    • Esa evidencia tendría que verificarse matemática y empíricamente, y es del tipo que podría dejar abierta la posibilidad de que una teoría actualmente marginal encaje mejor que la teoría dominante.
      En física hay tantas incógnitas que el otro lado puede responder fácilmente: “tu teoría tampoco explica XYZ todavía, así que probablemente baste con ajustar un poco la nuestra”. Según lo entiendo como amateur, es un asunto sobre el que personas razonables pueden discrepar.
    • Todavía no hay consenso ni indicadores reproducibles. Decir “examinemos más ese lado” es totalmente razonable.

  • No entiendo por qué se comparten artículos con títulos sensacionalistas como este. Es natural que la reputación del periodismo científico se deteriore. Artículos así socavan enormemente los esfuerzos de quienes intentan comunicar bien la ciencia.

    • Si no hubiera sido por este artículo y la discusión en HN, no habría sabido de MOND, y como mínimo es una teoría interesante.
    • En cada etapa, desde quien escribe el artículo hasta los canales de distribución, los incentivos empujan a hacerlo así, y lo recompensan con dinero, visitas, influencia, notoriedad, puntos y atención. Para detenerlo hay que eliminar los incentivos.

  • Sigo en su blog al autor principal, Stacy McGaugh, donde publica investigaciones recientes y reflexiones sobre el debate entre materia oscura y MOND: https://tritonstation.com/new-blog-page/
    Su argumento es bastante convincente y relativamente claro. No soy astrofísico, pero tengo dos títulos en física, y la teoría de la materia oscura siempre me ha parecido insuficiente. En ausencia total de evidencia de causalidad, la materia oscura solo puede describirse como “el lugar donde nos gustaría poner materia si eso hiciera que la teoría de la gravedad tuviera sentido”, y eso, desde una perspectiva científica básica, es completamente al revés. A medida que la sensibilidad de los instrumentos de observación sigue mejorando, las predicciones basadas en supuestos modernos de MOND parecen volverse cada vez más precisas.

    • Cuando una teoría y las observaciones no coinciden, no está predeterminado si hay que corregir la teoría o si nos falta algo en la observación. En el siglo XIX, la órbita de Urano no coincidía con las predicciones de la teoría de Newton; al asumir que la teoría de Newton era correcta y que habíamos pasado por alto algo en las observaciones, los cálculos predijeron la posición de Neptuno, y efectivamente fue descubierto.
      En cambio, la órbita de Mercurio también se apartaba de las predicciones de Newton, y en ese caso se planteó la hipótesis de un planeta aún no observado cerca del Sol, pero la solución real fue una modificación de la teoría de la gravedad: la relatividad general. La RG predijo con exactitud la precesión del perihelio de Mercurio de 43 segundos de arco por siglo respecto de la predicción newtoniana, y también se han verificado predicciones como la curvatura gravitacional de la luz, los agujeros negros y las ondas gravitacionales. Así que está claro que existe una discrepancia entre teoría y observación, pero no podemos saber de antemano si la solución será modificar la teoría o proponer una nueva forma de materia, y no es anticientífico formular la segunda hipótesis y ver hasta dónde llega. Lo difícil es construir un marco teórico que conserve las predicciones exitosas de la RG y que además explique las curvas de rotación galáctica.
    • La materia oscura se comporta de manera fundamentalmente distinta de la materia bariónica. La cantidad total de materia del universo, es decir, la suma de materia oscura y materia bariónica, puede acotarse mediante la abundancia observada de producción de bariones, y la materia oscura también afecta de otro modo las amplitudes relativas de los picos del fondo cósmico de microondas.
      A simple vista, MOND parece haber tenido muy pocos éxitos fuera del modelado de las curvas de rotación galáctica. El escepticismo frente a materia oscura versus MOND siempre me resulta extraño. La materia oscura no requiere mucha física nueva, apenas agregar una partícula nueva al Modelo Estándar, mientras que la mayoría de las teorías MOND rompen la invariancia de Lorentz, lo cual es una desviación mucho más radical de la física estándar. Las teorías MOND más elaboradas que preservan la invariancia de Lorentz, como TeVeS, en la práctica parecen teorías de materia oscura envueltas en lenguaje MOND.
    • No creo que ese enfoque sea necesariamente ilegítimo. Así es justamente como se buscan planetas. Hay una diferencia inesperada en el movimiento de algún planeta o estrella, y se explica si hay un planeta allá; al observar, efectivamente había un planeta allí.
    • Por lo general entiendo “materia oscura” como una abreviatura para la discrepancia entre teoría y observación. La explicación podría ser materia realmente oscura, o podría resolverse con una observación o un cambio teórico completamente inesperado.

  • Ojalá los periodistas científicos no usaran MOND como si representara a todas las teorías en las que MOND aparece como límite de baja curvatura. MOND en sí no es covariante y tiene muchos problemas conocidos, así que claramente es un punto de partida inadecuado.
    Las teorías más elaboradas de la familia de la relatividad general reproducen un comportamiento tipo MOND, pero funcionan mejor y son más plausibles. Como mínimo, para evitar discusiones inútiles sobre MOND, deberían usar términos como gravedad modificada o MOG en lugar de MOND.

  • Si te preguntas qué significa exactamente MOND, hay una entrada en Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Modified_Newtonian_dynamics

  • Aquí hay un artículo de Sean Carroll sobre MOND: https://www.preposterousuniverse.com/blog/2011/02/26/dark-ma...
    Esta explicación me parece más convincente.

  • Estoy esperando que Angela Collier haga un video sobre este tema. Supongo que mucha gente le va a mandar este artículo. MOND, a pesar de la publicidad, en cosmología es en realidad un campo de nicho.

  • Me pregunto si existe una versión cuantizada de MOND. No sé si la aceleración aumentada se debe a que la unidad cuantizada de la gravedad ejerce fuerza incluso a distancias donde, de otro modo, debería producir una fuerza menor que un “cuanto de gravedad”, o si a distancias muy grandes la cuantización crea una especie de techo en vez de un piso.
    Si la gravedad tiene alguna partícula o cuantización fundamental, como el fotón, y actúa básicamente incluso a distancias muy grandes o “infinitas”, me pregunto si sería más plausible que existiera algún piso de cuantización o una banda de cuantización. O también me pregunto si se considera que la cuantización de la gravedad impone un límite al alcance de la atracción gravitatoria, o si en gravedad cuántica se entiende como una reducción de la tasa de “gravitones” que interactúan entre los objetos. Pregunto desde la ignorancia, y me interesa qué significaría un gravitón en teorías como MOND o ΛCDM.