Seré el primero en admitir que no entendemos la materia oscura. Por ejemplo, cuando miramos una galaxia y contamos todos los bits brillantes como estrellas, gas y polvo, obtenemos una cierta masa. Cuando usamos cualquier otra técnica para medir la masa, obtenemos un número mucho más alto. Entonces, la conclusión natural es que no toda la materia en el universo es caliente y resplandeciente. Tal vez algunos si es, ya sabes, oscuro.
Pero espera. Primero debemos revisar nuestras matemáticas. ¿Estamos seguros de que no solo estamos equivocando algo de física?
Detalles de la materia oscura
Una pieza importante del rompecabezas de la materia oscura (aunque ciertamente no es la única, y esto será importante más adelante en el artículo) viene en forma de las llamadas curvas de rotación de galaxias. A medida que observamos que las estrellas giran alrededor del centro de sus galaxias, las que estén más alejadas del centro deberían moverse más lentamente que las que están más cerca del centro. Esto se debe a que la mayor parte de la masa galáctica está apiñada en el núcleo, y las estrellas más externas están muy lejos de todas esas cosas, y por simple gravedad newtoniana deben seguir órbitas perezosas lentas.
Pero no lo hacen.
En cambio, las estrellas más externas orbitan tan rápido como sus primos del interior de la ciudad.
Como este es un juego de gravedad, solo hay dos opciones. O estamos equivocando la gravedad, o hay cosas invisibles adicionales que empapan cada galaxia. Y hasta donde podemos decir, estamos obteniendo gravedad muy, muy bien (ese es otro artículo), así que boom: materia oscura. Algo está manteniendo a estas estrellas libres atrapadas dentro de sus galaxias, de lo contrario se habrían lanzado como un tiovivo fuera de control hace millones de años; ergo, hay un montón de cosas que no podemos ver directamente pero que podemos detectar indirectamente.
Poniéndose pesado
Pero, ¿y si esto no es solo un juego de gravedad? Después de todo, hay cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: nuclear fuerte, nuclear débil, gravedad y electromagnetismo. ¿Alguno de ellos puede jugar en este gran juego galáctico?
La energía nuclear fuerte solo opera a escalas subatómicas muy pequeñas, así que está lista. Y a nadie le importa la energía nuclear débil, excepto en ciertas desintegraciones e interacciones raras, por lo que también podemos dejar eso de lado. Y el electromagnetismo ... bueno, obviamente la radiación y los campos magnéticos juegan un papel en la vida galáctica, pero la radiación siempre empuja hacia afuera (por lo que obviamente no va a ayudar a contener las estrellas en rápido movimiento) y los campos magnéticos galácticos son increíblemente débiles (no más fuertes que una millonésima parte del campo magnético de la Tierra). Entonces ... no te vayas, ¿verdad?
Como casi todo en física, hay una salida furtiva. Por lo que podemos ver, el fotón, el portador de la fuerza electromagnética en sí, no tiene masa. Pero las observaciones son observaciones y nada en ciencia es seguro, y las estimaciones actuales colocan la masa del fotón en no más de 2 x 10-24 La masa del electrón. Para todos los intentos y propósitos, esto es básicamente cero para casi cualquier cosa que a nadie le importe. Pero si el fotón hacetener masa, incluso por debajo de este límite, puede hacer algunas cosas bastante divertidas para el universo.
Con la presencia de masa en el fotón, las ecuaciones de Maxwell, la forma en que entendemos la electricidad, el magnetismo y la radiación, adquieren una forma modificada. Los términos adicionales aparecen en las matemáticas y las nuevas interacciones toman forma.
¿Puedes sentir eso?
Las nuevas interacciones son adecuadamente complicadas y dependen del escenario específico. En el caso de las galaxias, sus campos magnéticos débiles comienzan a sentir algo especial. Debido a la naturaleza enmarañada y retorcida de los campos magnéticos, la presencia de fotones masivos modifica las ecuaciones de Maxwell en sólo la forma correcta de agregar una nueva fuerza atractiva que en algunos casos puede ser más fuerte que la gravedad sola.
En otras palabras, la nueva fuerza electromagnética podría mantener a las estrellas en rápido movimiento acordonadas, eliminando por completo la necesidad de materia oscura.
Pero no es fácil. Los campos magnéticos atraviesan el gas interestelar de la galaxia, no las estrellas en sí. Entonces esta fuerza no puede tirar directamente sobre las estrellas. En cambio, la fuerza tiene que dar a conocer su atracción al gas, y de alguna manera el gas tiene que informar a las estrellas que hay una nueva ciudad de Sheriffin.
En el caso de estrellas masivas de corta duración, esto es bastante sencillo. El gas en sí mismo está girando alrededor del núcleo galáctico a la máxima velocidad, forma una estrella, la estrella vive, la estrella muere y los restos vuelven a ser gas lo suficientemente rápido como para que, a todos los efectos, esas estrellas imiten el movimiento del gas, dando nosotros las curvas de rotación que necesitamos.
Gran problema en pequeñas estrellas
Pero las estrellas pequeñas y longevas son otra bestia. Se desacoplan del gas que los formó y viven sus propias vidas, orbitando alrededor del centro galáctico muchas veces antes de que expiren. Y como no sienten la nueva fuerza electromagnética extraña, deberían alejarse completamente de sus galaxias, porque nada los mantiene bajo control.
De hecho, si este escenario fuera preciso y los fotones masivos pudieran reemplazar la materia oscura, nuestro propio sol no debería estar donde está hoy.
Además, tenemos muy buenas razones para creer que los fotones realmente no tienen masa. Claro, las ecuaciones de Maxwell podrían no importarle mucho, pero la relatividad especial y la teoría del campo cuántico sí lo hacen. Empiezas a jugar con la masa de fotones y tienes muchas explicaciones que hacer, señor.
Además, el hecho de que todos adoren las curvas de rotación de galaxias no significa que sean nuestra única ruta hacia la materia oscura. Las observaciones de cúmulos de galaxias, lentes gravitacionales, el crecimiento de la estructura en el universo e incluso el fondo cósmico de microondas apuntan en la dirección de algún tipo de componente invisible a nuestro universo.
Incluso si el fotón tuviera masa y pudiera explicar de alguna manera los movimientos de todas estrellas en una galaxia, no solo las masivas, no podría explicar la gran cantidad de otras observaciones (por ejemplo, ¿cómo podría una nueva fuerza electromagnética explicar la curvatura gravitacional de la luz alrededor de un cúmulo de galaxias? No es una pregunta retórica - No puede). En otras palabras, incluso en un cosmos lleno de fotones masivos, también necesitaríamos materia oscura.
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