Por que precisamos abandonar a matéria escura para uma nova teoria da gravidade

Podemos modelar os movimentos dos planetas no Sistema Sun com bastante precisão usando as leis da física de Newton. Mas no início da década de 1970, os cientistas notaram que isso não funcionou para galáxias de disco – estrelas em suas bordas externas, longe da força gravitacional de toda a matéria em seu centro – estavam se movendo muito mais rápido do que a teoria de Newton previu.

Isso fez com que os físicos propusessem que uma substância invisível chamada “matéria escura” estava fornecendo força gravitacional additional, fazendo com que as estrelas acelerassem – uma teoria que se tornou muito common. No entanto, em um revisão recentemeus colegas e european sugerimos que as observações em uma vasta gama de escalas são muito melhor explicadas em uma teoria alternativa da gravidade proposta pelo físico israelense Mordehai Milgrom em 1982 chamada dinâmica Milgromiana ou Mond – não requer nenhuma matéria invisível.

O foremost postulado de Mond é que quando a gravidade se torna muito fraca, como ocorre na borda das galáxias, ela começa a se comportar de forma diferente da física newtoniana. Desta forma, é possível explique por que estrelas, planetas e gases nos arredores de mais de 150 galáxias giram mais rápido do que o esperado com base apenas em sua massa visível. Mas Mond não apenas explique tais curvas de rotação, em muitos casos, prevê eles.

Filósofos da ciência argumentaram que esse poder de previsão torna Mond awesome ao modelo cosmológico padrão, que propõe que há mais matéria escura no universo do que matéria visível. Isso porque, de acordo com esse modelo, as galáxias possuem uma quantidade altamente incerta de matéria escura que depende de detalhes de como a galáxia se formou – o que nem sempre sabemos. Isso torna impossível prever a rapidez com que as galáxias devem girar. Mas essas previsões são feitas rotineiramente com Mond, e até agora elas foram confirmadas.

Consider que conhecemos a distribuição da massa visível em uma galáxia, mas ainda não sabemos sua velocidade de rotação. No modelo cosmológico padrão, só seria possível dizer com alguma confiança que a velocidade de rotação sairá entre 100km/s e 300km/s nas periferias. Mond faz uma previsão mais definida de que a velocidade de rotação deve estar na faixa de 180-190 km/s.

Se observações posteriores revelarem uma velocidade de rotação de 188 km/s, isso é consistente com ambas as teorias – mas claramente, Mond é o preferido. Esta é uma versão moderna de navalha de Occam – que a solução mais simples é preferível às mais complexas, neste caso, que devemos explicar as observações com o mínimo de “parâmetros livres” possível. Parâmetros livres são constantes – certos números que devemos inserir em equações para fazê-los funcionar. Mas eles não são dados pela teoria em si – não há razão para que eles tenham algum valor specific – então temos que medi-los observacionalmente. Um exemplo é a constante de gravitação, G, na teoria da gravidade de Newton ou a quantidade de matéria escura nas galáxias dentro do modelo cosmológico padrão.

Introduzimos um conceito conhecido como “flexibilidade teórica” para capturar a ideia subjacente da navalha de Occam de que uma teoria com parâmetros mais livres é consistente com uma gama mais ampla de dados – tornando-a mais complexa. Em nossa análise, usamos esse conceito ao testar o modelo cosmológico padrão e Mond contra várias observações astronômicas, como a rotação de galáxias e os movimentos dentro de aglomerados de galáxias.

A cada vez, atribuímos uma pontuação teórica de flexibilidade entre –2 e +2. Uma pontuação de -2 indica que um modelo faz uma previsão clara e precisa sem examinar os dados. Por outro lado, +2 implica “vale tudo” – os teóricos teriam sido capazes de ajustar quase qualquer resultado observacional plausível (porque existem tantos parâmetros livres). Também avaliamos o quão bem cada modelo corresponde às observações, com +2 indicando excelente concordância e –2 reservado para observações que mostram claramente que a teoria está errada. Em seguida, subtraímos a pontuação de flexibilidade teórica da concordância com as observações, já que combinar bem os dados é bom – mas ser capaz de ajustar qualquer coisa é ruim.

Uma boa teoria faria previsões claras que são posteriormente confirmadas, idealmente obtendo uma pontuação combinada de +4 em muitos testes diferentes (+2 -(-2) = +4). Uma teoria ruim receberia uma pontuação entre 0 e -4 (-2 -(+2)= -4). Previsões precisas falhariam neste caso – é improvável que funcionem com a física errada.

Encontramos uma pontuação média para o modelo cosmológico padrão de -0,25 em 32 testes, enquanto Mond alcançou uma média de +1,69 em 29 testes. As pontuações para cada teoria em muitos testes diferentes são mostradas nas figuras 1 e 2 abaixo para o modelo cosmológico padrão e Mond, respectivamente.

É imediatamente aparente que nenhum problema maior foi identificado para Mond, o que pelo menos plausivelmente concorda com todos os dados (follow que as duas linhas inferiores denotando falsificações estão em branco na figura 2).

Os problemas com a matéria escura

Uma das falhas mais marcantes do modelo cosmológico padrão diz respeito às “barras de galáxias” – regiões brilhantes em forma de bastonetes feitas de estrelas – que as galáxias espirais costumam ter em suas regiões centrais (veja a imagem foremost). As barras giram ao longo do pace. Se as galáxias estivessem embutidas em halos maciços de matéria escura, suas barras diminuiriam. No entanto, a maioria, se não todas, as barras de galáxias observadas são rápidas. este falsifica o modelo cosmológico padrão com confiança muito alta.

Outro problema é que o modelos originais que sugeriram que as galáxias têm halos de matéria escura cometeram um grande erro – eles assumiram que as partículas de matéria escura forneciam gravidade à matéria ao seu redor, mas não foram afetadas pela atração gravitacional da matéria standard. Isso simplificou os cálculos, mas não reflete a realidade. Quando isso foi levado em consideração na simulações subsequentes ficou claro que os halos de matéria escura ao redor das galáxias não explicam de forma confiável suas propriedades.

Existem muitas outras falhas do modelo cosmológico padrão que investigamos em nossa revisão, com Mond muitas vezes capaz de explicar naturalmente as observações. A razão pela qual o modelo cosmológico padrão é, no entanto, tão common pode estar relacionado a erros computacionais ou conhecimento limitado sobre suas falhas, algumas das quais foram descobertas recentemente. Também pode ser devido à relutância das pessoas em ajustar uma teoria da gravidade que tem sido tão bem-sucedida em muitas outras áreas da física.

A enorme vantagem de Mond sobre o modelo cosmológico padrão em nosso estudo nos levou a concluir que Mond é fortemente favorecido pelas observações disponíveis. Embora não afirmemos que Mond é perfeito, ainda achamos que o quadro geral está correto – as galáxias realmente carecem de matéria escura.

Este artigo de Indranil BanikBolsista de Pesquisa de Pós-Doutorado em Astrofísica, Universidade de Santo André é republicado de A conversa sob uma licença Inventive Commons. Leia o artigo authentic.