Por qué la teoría MOND requiere la existencia de la materia oscura

Mucha gente cree que la teoría MOND implica que la materia oscura no existe. Todo lo contrario. La teoría MOND no explica las anisotropías en el fondo cósmico de microondas (CMB) que son sensibles a la existencia de materia oscura en universo temprano. Los picos impares del espectro multipolar del CMB son más altos y los picos pares son más bajos en un universo temprano dominado por la materia oscura, en contraposición a un universo dominado por la materia ordinaria (como en la primitiva teoría MOND). En realidad la “teoría” MOND no es una teoría aplicable a nivel cosmológico; se ha de utilizar la teoría TeVeS de Bekenstein (la versión covariante más aceptada de la “teoría” MOND). Como muestra la figura, MOND (TeVeS) contradice los datos obtenidos por el satélite WMAP para el CMB, por lo que MOND (sin materia oscura) es una teoría incorrecta (al menos a escala cosmológica). Por ello, muchos físicos especialistas en MOND creen que la materia oscura existe y es parte íntegra de la teoría MOND, pero que no es necesaria para explicar las curvas de rotación galáctica; la materia oscura en la teoría MOND sólo es necesaria a escala cosmológica, para explicar la dinámica de los cúmulos y supercúmulos galácticos y el CMB. Mucha gente cree que como los teóricos de MOND afirman que la materia oscura no es relevante en la dinámica galáctica, también afirman que no existe, pero no es cierto. La materia oscura es parte íntegra de las ideas de la teoría MOND. Algún lector se preguntará ¿entonces para qué queremos substituir la gravedad de Einstein por MOND? Como siempre, el asunto es cuestión de gustos (ciertas curvas de rotación galáctica son explicadas mejor por MOND que por la materia oscura, otras al contrario). Lo que me gustaría aclarar es que el modelo cosmológico de consenso no incluye a MOND por razones muy firmes. La ciencia de conssenso nunca es cuestión de gustos. MOND no explica el CMB y punto. Como nos recuerda Sean Carroll, “Dark Matter: Just Fine, Thanks,” Cosmic Variance, February 26th, 2011. La predicción de la teoría MOND (TeVeS) para el fondo cósmico de microondas se publicó en C. Skordis, D. F. Mota, P. G. Ferreira, C. Boehm, “Large Scale Structure in Bekenstein’s theory of relativistic Modified Newtonian Dynamics,” Phys. Rev. Lett. 96: 011301, 2006 [gratis en ArXiv en 2005].

Os recuerdo a los despistados: el físico Mordehai Milgrom, del Instituto Weizmann de Ciencia en Rehovot, Israel, propuso en 1983 que las leyes de Newton no eran correctas a escala galáctica, la llamada Dinámica Newtoniana Modificada (MOND), que permite explicar las curvas de rotación galáctica utilizando sólo la materia visible (sin usar la materia oscura que Fritz Zwicky introdujo para explicar las velocidades orbitales de las galaxias en los cúmulos galácticos y que Vera Rubin aplicó a las curvas de velocidad de las estrellas en las galaxias). La teoría MOND “funciona bien para la escala ‘pequeña’ de galaxias individuales, pero no te dice mucho sobre el universo a escalas de grandes cúmulos galácticos y por encima, donde el universo se describe bien mediante la teoría de la materia oscura,” como afirma Stacy S. McGaugh en una noticia que ha traducido Kanijo, “Galaxias ricas en gas confirman una predicción de la Teoría de la Gravedad Modificada,” Ciencia Kanija, 23 feb. 2011 [original en inglés]. La noticia ha aparecido de forma incorrecta en muchos medios como una confirmación de la teoría MOND y una refutación de la materia oscura, lo que ha provocado la indignación de Sean Carroll. Por cierto, el artículo técnico, para los interesados en los detalles, es Stacy S. McGaugh, “A Novel Test of the Modified Newtonian Dynamics with Gas Rich Galaxies,” Physical Review Letters, in press [ArXiv, 18 Feb 2011].

“McGaugh’s new paper doesn’t give any evidence at all against dark matter. What it does is to claim that an alternative theory (MOND) provides a good fit to a certain class of gas-rich galaxies. That’s an interesting result!” Sean Carroll

La teoría MOND no es aplicable a escala cosmológica por las mismas razones por las que no es aplicable la teoría de Newton. Es necesario una versión covariante, como la relatividad general de Einstein. La versión covariante más aceptada que se reduce a MOND a pequeña escala es la teoría de Jacob Bekenstein llamada Teoría Tensorial-Vectorial-Escalar (Tensor-Vector-Scalar o TeVeS). Para muchos físicos en la actualidad, MOND y TeVeS es lo mismo. Para Sean Carroll la teoría TeVeS tiene pocas ventajas sobre la teoría general de la relatividad, especialmente porque su formulación matemática es mucho más complicada. Basta comparar los lagrangianos (acciones) de cada una de estas teorías:

Una teoría más complicada, que no explica la dinámica de los cúmulos galácticos (requiere la materia oscura como nos recuerda R.H. Sanders, “Clusters of galaxies with modified Newtonian dynamics (MOND),” ArXiv, 12 Dec 2002), que no explica la dinámica estelar de las galaxias enanas esferoidales (algo conocido desde 1992 y que todavía no tiene explicación como nos revisa A. Kosowsky, “Dwarf Galaxies, MOND, and Relativistic Gravitation,” Advances in Astronomy, 2009) y que tiene otros problemas menores, es una difícil alternativa a la gravedad de Einstein con la adición de la materia oscura, una teoría que pronto cumplirá un siglo.

Quien quiera ver y/o escuchar una conferencia de Sean Carroll sobre MOND y la materia oscura disfrutará con “Dark Matter vs Modified Gravity,” KITP Program: Applications of Gravitational Lensing: Unique Insights into Galaxy Formation and Evolution, Nov 02, 2006.