Uno de los problemas abiertos más grandes de la astrofísica actual es el de la existencia o no de la llamada materia oscura, un planteamiento teórico que supone que esta constituye más de 90 por ciento de la materia del Universo. “Pero nadie la ha podido detectar directamente, pese a tremendos esfuerzos por encontrarla desde hace varias décadas”, sostuvo el astrónomo Xavier Hernández Doring, investigador del Instituto de Astronomía de la UNAM.

Con un nuevo estudio, en el cual utilizó mediciones entre estrellas binarias abiertas ubicadas en la vecindad solar y los últimos datos provenientes del satélite GAIA de la Agencia Espacial Europea (ESA), el científico y sus colaboradores demostraron que:

Al medir este tipo de estrellas que se encuentran en el régimen de bajas aceleraciones, los movimientos relativos de estas estrellas no obedecen a las predicciones de Teorías Estándar de Gravedad (Newton y Einstein, que a las bajas velocidades de estos sistemas coinciden), sino que siguen las expectativas de esquemas de gravedad modificada, un grupo de propuestas que tratan de explicar los fenómenos físicos sin recurrir al argumento de la materia oscura, los cuales se han ido fortaleciendo a lo largo de los últimos 40 años.

El estudio fue publicado hace unas semanas en la revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS, por sus siglas en inglés).

El debate

“El problema general es que cuando se observa la dinámica de galaxias y de sistemas más grandes que galaxias, la manera en que se mueven estos objetos no cuadra con las expectativas de las teorías de Gravedad Estándar de Newton y de Einstein. Vemos cuánta materia (de la que nos consta que existe) hay en estos sistemas y cómo se mueven, pero esos movimientos no están de acuerdo con las expectativas de la Teoría de Gravedad Estándar”, explicó.

Añadió que si vemos el Sol, y órbitas de planetas alrededor de él, o a estrellas que están cerca una de otra, “tenemos una inferencia de cuánta masa hay. Dada la cantidad de luz que emiten, sabemos cuánta masa tienen y vemos cómo se están moviendo”.

Para objetos pequeños (a nivel astronómico) estas mediciones funcionan bien, pero cuando se estudian galaxias (conjuntos de gases, polvo y miles de millones de estrellas y sus sistemas solares) resulta que se mueven como si hubiera más materia, bajo una interpretación de Gravedad Estándar.

“Lo más común es decir que existe mucha más materia de la que vemos, es una hipótesis ad hoc, un parche que se introduce para forzar el acuerdo entre las observaciones y una teoría, cuando es una realidad que la observación está en desacuerdo con la teoría; no coinciden”, subrayó el investigador.

El astrónomo dijo que, con grandes sistemas de objetos, es necesario imponer el argumento de la materia oscura, e imaginarse que existe más materia de la que se ve. “Este postulado surge para forzar el acuerdo entre una teoría y una observación. En décadas, nadie nunca ha detectado una sola partícula de materia oscura”.

Eso, y una serie de fallas en el esquema Estándar, han dado pie a que algunos científicos empiecen a considerar una opción alternativa que sostiene que a esos niveles de galaxias la gravedad funciona de distinta manera de lo que predicen las teorías.

“Fueron desarrolladas de manera muy local, y la medición de otras galaxias está muy distante del régimen de aceleraciones en el que hemos probado la gravedad. Nadie ha realmente hecho un experimento a esas escalas para determinar que la gravedad se está comportando de cierta manera”, abundó.

La propuesta alternativa, llamada genéricamente Gravedad Modificada, sostiene que la gravedad a esas escalas de aceleración funciona de manera distinta. “Decidir entre ambas es difícil, porque las dos ideas pueden explicar los datos a escalas muy grandes, solamente que la alternativa explica muy bien lo que se ve, mientras la tradicional introduce la materia oscura donde haga falta”, señaló.

Hace 12 años, Hernández Doring se planteó buscar un sistema de bajas aceleraciones, que estuviera en el régimen de aceleraciones donde aparece esta anomalía gravitacional, pero que no tuviera nada que ver con galaxias, que estuviera cerca de nosotros.

Encontró que estrellas binarias en la vecindad solar, muy chiquitas y separadas entre sí, en el régimen de aceleraciones bajas, también se hallan en el régimen de aceleraciones bajas.

“En ese tiempo utilizamos el satélite Hipparcos, de la ESA, que tenía los mejores datos para este tipo de estudios, pero estos tenían una gran cantidad de ruido que hacían muy difícil llegar a una conclusión definitiva”, apuntó.

En el nuevo estudio, el científico y sus colaboradores recurrieron al satélite GAIA, también de la ESA, y mostraron en 2022 que existe esta falla en la gravedad. “El catálogo del satélite se ha ido mejorando y nos permite tener información más limpia de las estrellas binarias. Nos permite asegurarnos, con alta precisión, que estudiamos un catálogo de estrellas binarias puras, sin contaminación cinemática. Tenemos datos de muy alta calidad”, aseguró.

El análisis de estas estrellas binarias, cercanas a nuestro Sistema Solar, también mostró las mismas divergencias en los datos con respecto a la Gravedad Estándar. “El artículo recién publicado es importante porque demuestra con gran precisión que existe un límite de validez a las Teorías de Gravedad Estándar, y que estas no aplican a las escalas donde se les usa para plantear la existencia de la materia oscura”, reiteró.

Los resultados de estos estudios han sido confirmados independientemente por uno reciente publicado por el astrofísico coreano Kyu-Hyun Chae, de la Universidad Sejong de Corea del Sur, en la revista The Astrophysical Journal.

Para más información sobre este tema se pueden consultar las siguientes ligas:

Primer artículo proponiendo probar la ley de gravedad usando binarias abiertas:

Hernández et al. (2012) EPJC 72, 1884 https://link.springer.com/article/10.1140/epjc/s10052-012-1884-6

Artículo reciente usando GAIA para mostrar la falla en las teorías estándar de gravedad con binarias abiertas:

Hernández et al. (2022) MNRAS 509, 2304 https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/509/2/2304/6412540?redirectedFrom=fulltext

Artículo independiente confirmando esta falla en la gravedad:

Chae (2023) ApJ 952, 128 https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ace101

Artículo recién publicado usando el más reciente catálogo GAIA y la muestra más limpia de binarias abiertas hasta ahora, mostrando de nuevo la falla en las teorías estándar de gravedad:

Hernández (2023) MNRAS 525, 1401