La materia ordinaria tiene ciertas propiedades, porque está compuesta de partículas que llevan carga eléctrica.
Incluso cuando está a granel, la materia ordinaria es eléctricamente neutral, esas cargas eléctricas son responsables de muchas cosas. Por ejemplo:
La materia ordinaria tiene presión. Esa presión comienza a jugar un papel cuando la materia ordinaria se comprime. Resiste la compresión, y al menos parte de la energía invertida en la compresión desaparece como ondas de presión … es decir, sonido. (Esta es la razón por la cual, en los libros de texto de cosmología, se ven referencias frecuentes a la velocidad del sonido). Esto ralentiza la materia cuando se colapsa sobre sí misma debido a la gravedad propia, lo que le permite formar estrellas y planetas al unirse.
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La materia ordinaria no es transparente. Absorbe la luz / radiación electromagnética, al menos en ciertas longitudes de onda. Las nubes de polvo interestelar, por ejemplo, tan frías como cualquier cosa en el espacio, se interponen entre nosotros y el bulbo central de la Vía Láctea, por lo que el bulto no es visible desde la Tierra.
La materia ordinaria también emite luz o radiación electromagnética. Incluso cuando hace frío, aún puede emitir radiación: las nubes de polvo antes mencionadas, por ejemplo, emiten infrarrojo lejano o radiación de microondas. Entonces, no exactamente oscuro, al menos cuando nuestros “ojos” son instrumentos astronómicos modernos.
Y la materia ordinaria está compuesta de bariones (protones y neutrones), que están sujetos a mecanismos específicos cuando se crean durante los primeros momentos del universo, cuando el llamado plasma quark-gluón se enfría. Hay límites en cuanto a la cantidad de materia bariónica que se puede formar de esta manera, y el supuesto contenido de materia oscura del universo excede estos límites en casi un orden de magnitud. Por lo tanto, no existe un mecanismo consistente con lo que sabemos sobre física de partículas para que se forme esta materia tan común.
Por el contrario, se supone que la materia oscura en la cosmología predominante no tiene presión, no interactúa consigo misma, no está hecha de bariones y no interactúa con el electromagnetismo. En resumen, significa que no se une para formar planetas y estrellas; y es transparente (no absorbe ni emite luz u otra radiación electromagnética).
Cuando conectamos este supuesto componente de materia oscura en las ecuaciones que rigen la cosmología y la astrofísica, logramos, entre otras cosas, lo siguiente:
- Al principio, la gravedad de la materia oscura da forma a la expansión del gas primordial, de modo que cuando el gas se enfría hasta el punto en que se vuelve eléctricamente neutro (ya no se ioniza por el calor) y emite la luz que ahora vemos como el microondas cósmico de fondo, tiene las fluctuaciones de densidad correctas, para producir las fluctuaciones de temperatura correctas que vemos;
- Cuando se emite el fondo de microondas, las fluctuaciones de densidad que ya están presentes en la materia oscura ayudan con la formación temprana de galaxias;
- Al formar halos alrededor de las galaxias, la materia oscura contribuye a los campos gravitacionales de las galaxias y aumenta las velocidades de rotación en estas galaxias;
- Junto con la energía oscura, la materia oscura compensa el déficit que hace que nuestro universo sea “espacialmente plano”, eliminando uno de los acertijos de “ajuste fino” (incluso una curvatura espacial extremadamente pequeña en el universo temprano debería dar como resultado una contribución gigantesca hoy en día). no veo) de la cosmología del universo primitivo.
Estas son algunas de las razones por las cuales el modelo de materia oscura es tan ampliamente aceptado en la cosmología física. Dicho esto, a pesar de los numerosos esfuerzos, nadie logró detectar la materia oscura directamente, por ejemplo, a través de interacciones indirectas muy débiles con la materia ordinaria. Es por eso que las alternativas continúan siendo consideradas, a saber, varias teorías de la gravedad modificada que intentan eliminar la materia oscura, la energía oscura o (preferiblemente) ambas.
Pero el listón está muy alto: estas teorías de la gravedad modificadas deben coincidir simultáneamente con los experimentos de laboratorio terrestre, los experimentos de precisión del sistema solar y la observación (incluida la curvatura gravitacional de la luz por el Sol y el retraso de Shapiro de las ondas de radio de las sondas interplanetarias), el dinámica observada de galaxias pequeñas y grandes, oscuras y brillantes, dinámica en cúmulos estelares y protuberancias galácticas, órbitas de púlsares binarios cercanos, física de estrellas de neutrones, agujeros negros observados y (ahora) fusiones de agujeros negros y ondas gravitacionales asociadas, microlente gravitacional, lentes cosmológicos , la dinámica de los cúmulos de galaxias, la distribución a gran escala de la materia, la relación de luminosidad-distancia de las supernovas Tipo Ia, las fluctuaciones de temperatura del CMB, las abundancias observadas de isótopos primordiales … Y probablemente omití una o dos cosas.
No, no es fácil construir una teoría de la gravedad alternativa viable. Lo que explica por qué la materia oscura (con sus propiedades únicas, que la distinguen de la materia ordinaria) sigue siendo la explicación preferida.
