Teoría MOND

Equilibrio dinámico gravitacional

Visión estática e inmutable del universo, fue apoyada por el mundo filosófico y científico durante más de 23 siglos. En 1929 se derrumbó con el descubrimiento de la expansión del universo por Edwin Hubble (1889-1953). Hoy sabemos que los objetos físicos (estrellas, galaxias y gas) que componen el universo no sólo se están moviendo, pero no serían sino la parte visible de un "iceberg", a donde la mayoría, 96% de masa y la energía, serían ocultada. La materia ordinaria, la materia oscura, la energía oscura serían los constituyentes del Universo.
En 1933, el astrofísico suizo Fritz Zwicky, estudió un pequeño grupo de galaxias en el cúmulo de Coma y se encontró que la masa dinámica del grupo es mucho mayor que su masa de luminosa visible. En ese momento, el descubrimiento no se considera revolucionaria, el hecho de que le falta un poco de materia en un cúmulo de galaxias no es crítica. Pero en 1978, una astrónoma estadounidense Vera Rubin, además de sus cuatro hijos, se dedica al estudio de las galaxias. Toma nota, en una escala más pequeña aquellas de las galaxias, que las estrellas en las afueras de las galaxias parecen girar demasiado rápido. La curva de rotación de algunas galaxias espirales era plana. La velocidad de las estrellas no se disminuyó en función de su distancia desde el centro de la galaxia. Pero todos los movimientos están relacionados con la fuerza gravitatoria, en el sistema solar más se aleja del sol, más la fuerza de la gravedad se debilita y las planetas distantes giran más lento que los planetas cerca del sol. Es lo mismo para las estrellas en las galaxias o las galaxias en los cúmulos de galaxias y en general para todos los cuerpos que giran en torno de un campo gravitatorio intenso.

Para la mayoría de los científicos, no se trata de desafiar las leyes de la gravedad, consideran los cúmulos de estrellas, las galaxias y cúmulos de galaxias como sistemas gravitatorios en equilibrio dinámico. Cuando las estrellas han tenido tiempo de hacer varias veces alrededor de una galaxia (crossing time), consideramos que la galaxia ha alcanzado un estado de equilibrio gravitacional. De lo contrario, las estrellas habrían desaparecido del espacio gravitacional de la galaxia.
La conclusión es que carece de la masa en el universo observable para asegurar su estabilidad. Varias hipótesis se han propuesto para explicar la anomalía observada. Los científicos han tratado de añadir grandes masas en forma de gas molecular, de estrellas muertas, de enanas marrones, de estrellas de neutrones, de agujeros negros, pero no fue suficiente. Los cálculos muestran que la masa dinámica derivada de la influencia gravitacional es al menos 5 veces más grande que la masa visible en nuestros telescopios.
En otras palabras, la teoría de Newton es comprobar que si hay una enorme masa complementaria en las galaxias. La enorme masa perdida serían una materia no-bariónica (protones, neutrones). La materia oscura, hasta entonces desconocido, se puso de moda en el mundo científico. Sin embargo, en 1983, el físico israelí Mordechai Milgrom desafía el concepto de materia oscura. Propone una pequeña modificación de la teoría de Newton para resolver el problema de la rotación muy rápida de las estrellas y de las galaxias. Mordechai Milgrom llama a su teoría "MOND".

Imagen: curva de rotación de las galaxias espirales. En color azul (A), la curva de rotación calculada usando las ecuaciones de Newton, en color rojo (B), la curva observada en función de la distancia de las estrellas en relación al centro de la galaxia.
Crédito Imagen: www.astronoo.com

Teoría MOND

Teoría MOND (MOdified Newtonian Dynamics), la dinámica newtoniana modificada, desafía el concepto de materia oscura, y ofrece una explicación al problema de la curva de rotación plana de las galaxias espirales. MOND se basa en una modificación de la segunda ley de Newton a muy bajo aceleración. Sin embargo, algunas observaciones astronómicas, en especial la colisión de cúmulos de galaxias, contradicen esta teoría. Como sabemos hoy, el gas compone la mayor parte de la masa de un cúmulo de galaxias.
Así que cuando vemos un cúmulo de galaxias, observamos en la realidad el gas que compone el grupo, más que las estrellas del cúmulo, ellos mismos. La prueba crítica de la teoría de MOND es la colisión de dos cúmulos de galaxias que se atraviesan sin siquiera reunirse como los cúmulos de galaxias son granos de polvo en la inmensidad vacía.
Aquí está la contradicción a la teoría MOND.
En la teoría de la gravedad modificada, no hay materia oscura, ahora imagine una colisión entre dos cúmulos (imagen superior a la derecha). Si no hubiera materia oscura, el material dominante de la agrupación es el gas. La colisión de dos grupos nos mostrará a través de un lado de la imagen, la materia ordinaria, es decir, grupos de estrellas de uno de los dos cúmulos y del otro lado, los grupos de estrellas del otro cúmulo. En el centro, existe entre los dos grupos de galaxias, el gas acumulado en cada grupo. De hecho, la nube de gas de un grupo va a interactuar con otra nube del otro cumulo y se mezclará a diferencia de la materia pesada (estrellas).
En el primer caso sin materia oscura (arriba), a donde está la mayor parte de la masa después de la colisión?
La masa se ​​encuentra en la región central en el centro del gas ya que la totalidad del gas es más masivo que la totalidad de las estrellas.

Ahora imagine el mismo experimento (imagen abajo), a donde no hay gravedad modificada, pero la presencia de la materia oscura. Esta vez la materia dominante es la materia oscura es la materia oscura que concentra la mayor parte de la masa, ya que la materia oscura es cinco veces más masivo que la materia ordinaria (estrellas y gas). En la segunda imagen, la de abajo, la materia oscura está representado por las burbujas de color gris.
Cuando dos cúmulos entran en colisión, las galaxias se atraviesan y el gas se acumula como en el ejemplo anterior. Y la materia oscura pesada se comportará como la materia ordinaria de las estrellas, va muy poca interactuar y cruzar la inmensidad del espacio vacío para reunirse con grupos de estrellas a cada lado del gas.
En este último caso, con la presencia de materia oscura, a donde está la mayor parte de la masa después de la colisión?
A cada lado del gas a donde hay materia oscura y a donde no hay gas como en el primer caso. Podemos ver en este experimento que la presencia de materia oscura o la ausencia como en la teoría MOND, da diferentes observaciones.
La evidencia de la presencia de materia oscura fue traído por la observación del cumulo Bala (ver artículo). Observando este clúster, los cosmólogos suceden para reconstruir el mapa de las masas y observó que las masas están allí a donde hay las galaxias y no a donde hay gas. Esta contradicción se resolvió en la teoría admitiendo la existencia de una cierta cantidad de materia oscura en forma de neutrinos.
La mayor parte de nuestro universo es invisible.

Imagen: Después de la colisión de los dos grupos, en la teoría MOND, la masa está en la nube de gas en el centro (arriba). Con la materia oscura, la masa está en las burbujas grises (parte inferior).
Crédito Imagen: Conferencia 5 de abril 2011 de Nathalie Palanque-Delabrouille astrofísica CEA (Saclay).