¿Qué modelos usan los físicos para predecir el movimiento de las estrellas en una galaxia que ha llevado a una convicción generalizada de que existe la materia oscura?

Las otras respuestas que citan la gravedad newtoniana y la relatividad general son técnicamente correctas, pero realmente es un teorema de física mucho más interesante que condujo a la evidencia de la existencia de materia oscura. Se llama el teorema virial .

El teorema virial básicamente establece esto (en forma fácil y clásica):

La energía cinética en un sistema es el doble de su energía potencial.

El teorema virial es una consecuencia simple de nuestras teorías de la física aceptadas y de otro modo inmensamente utilizables. Por lo tanto, hay pocas razones para dudar de su validez.

En una galaxia, la mayor parte de la energía potencial entre las estrellas y otros objetos consiste en energía gravitacional. Por lo tanto, podemos reformular el teorema virial como tal:

La energía cinética en un sistema es el doble de su energía gravitacional.

La energía cinética, la energía del “movimiento”, depende de la masa y la velocidad. La energía gravitacional depende de la masa y la posición. En otras palabras:

El teorema virial muestra que la masa de una galaxia depende de su tamaño y velocidad.

Con nuestros telescopios modernos, no es demasiado difícil medir el tamaño y la velocidad de un cúmulo de galaxias. Zwicky lo hizo en 1933 con el Coma Cluster. La medición de esas dos cantidades le daría una estimación adecuada de la masa del sistema, de acuerdo con el teorema virial. Sin embargo, en la práctica, esto no demostró ser correcto. Cuando Zwicky hizo un simple recuento de objetos en el Coma Cluster, estimando la masa del sistema, se topó con algo muy peculiar:

Zwicky pudo encontrar solo el 10% de la masa predicha por el teorema virial.

En otras palabras: la galaxia se movía tan rápido que era imposible ser una galaxia estable, a menos que las estrellas estuvieran unidas por una masa mucho mayor .

Esa masa es lo que hoy llamamos “materia oscura”. No es directamente observable, pero sus consecuencias son directamente observables.

Nota: obviamente, el teorema virial podría ser simplemente falso en estas escalas. Lo más probable es que se deba a que la gravedad macroscópica, que actúa sobre grandes regiones, se comporta de manera diferente de lo esperado. Esta es una teoría presentada por el profesor Erik Verlinde en noviembre del año pasado. Sin embargo, estas teorías siempre se reciben con gran precaución y desconfianza, ya que a menudo están llenas de derivaciones matemáticas que no siempre tienen en cuenta la realidad física. Aún no está claro si la materia oscura realmente existe en forma de partícula, o si necesitamos encontrar una interpretación al estilo de Verlinde. Pero se establece que nuestras teorías actuales no pueden describir la gravedad en las galaxias.

AstrofísicaastronomíaFísicaFísicos

¿Cómo fue estar en el CERN el día del descubrimiento del bosón de Higgs (4 de julio de 2012)?

¿Qué piensan los físicos de Albert Einstein?

¿Qué consejos para resolver problemas tiene Richard Muller para los estudiantes principiantes (escuela secundaria / pregrado de primer año) en física?

¿Qué es algo que los físicos cuánticos saben que otros no?

¿Cuál es la diferencia entre un neutrino y un neutrino electrónico?

¿Cómo pueden los físicos saber con tanta precisión la velocidad de un fotón si, de acuerdo con QM, la velocidad y la posición no pueden conocerse con precisión?

los equivocados (obviamente)

El problema se deriva exactamente de que nuestro modelo es incapaz de predecir los movimientos observados de las estrellas en galaxias distantes.

De hecho, se podría decir que nuestro modelo tiene solo un 10% de precisión. Debido a esto, se agrega un dispositivo de corrección de errores para tener en cuenta el delta entre la observación y las matemáticas.

Este dispositivo de corrección de errores se llama materia oscura y los físicos creen en cosas como la religión, aunque su existencia es tan probable como un hombre barbudo omnipotente que observa todo esto.

Los físicos, por diseño, están atrapados en lo físico. El “espacio” es un escenario vacío por el que se mueve la materia. Si bien es evidente que este no es el caso, seguimos mirando insípidamente los datos.

Nuestra anticuada comprensión newtoniana de la gravedad es sin duda el quid de esto. (por favor, no mencione que la relatividad general también necesita materia oscura, simplemente está regurgitando lo que le han dicho).

Sabemos que nuestros modelos actuales se desmoronan en escalas galácticas sin la introducción de dispositivos de corrección de errores realmente masivos, pero se nos dice que este modelo (que depende en gran medida de Newton) está perfectamente bien a escalas pequeñas (razón por la cual no hay halo de materia oscura alrededor de nuestro sistema solar …

Pero, vamos más pequeños aún.

echemos un vistazo a la Tierra. ¿Sabías que el núcleo de este planeta gira más rápido que la corteza? Durante eones, el centro de este planeta se ha estado agitando, siempre un poco más rápido que la corteza exterior. ¿Cómo puede ser esto en el vacío del espacio? ¿Acaso la fricción incomprensible no permitiría que la corteza se recupere o al menos que el centro se desacelere a la misma velocidad que la corteza?

Le prometo que con toda nuestra majestad de supercomputación, los físicos de hoy no pueden modelar esto con precisión. La acumulación de materia en una bola cuyo centro se agita más rápido que las capas de estratos posteriores es tan incomprensible para los físicos de hoy como lo es observar a estrellas distantes comportarse de manera inapropiada. ¿Dónde está el halo de materia oscura responsable de este fenómeno inexplicable? Sucede aquí en la tierra, el sol, Júpiter, Saturno …

RESPUESTA: No hay ninguna, es la aceleración relativista general. Verá, los mismos modelos que nos llevan a casi el 11% de nuestras observaciones galácticas ni siquiera nos acercan tanto a la dinámica del núcleo.

Pregúntele a cualquier físico sobre las condiciones en el centro de nuestro planeta y, al unísono, los proyectiles vomitarán la respuesta que aprendieron en la escuela. Que no tiene peso en el centro debido a toda la masa ‘por encima’ del centro.

Esto es tan incorrecto como la noción de halos de materia oscura.

Joe Rarey

Los modelos utilizados son en gran parte solo teoría gravitacional newtoniana y relatividad general.

Fritz Zwicky, un astrónomo suizo, estaba tratando de medir la masa de galaxias utilizando la velocidad radial de las estrellas en los bordes exteriores de la galaxia en 1933. La ley del movimiento planetario de Kepler, que está encapsulada en la gravedad newtoniana, sugiere que el período de tiempo de un objeto alrededor de su host depende del radio de la órbita ([math] t ^ 2 \ propto r ^ 3 [/ math]). Sin embargo, observó que las estrellas viajaban a velocidades mucho mayores de lo esperado, y con tales velocidades se espera que estas estrellas se dispersen en el vacío y no se agrupen para formar galaxias.

Utilizó el teorema virial, que relaciona la energía cinética promedio a lo largo del tiempo con la energía potencial gravitacional. La forma simplificada de esta relación es que la energía potencial promedio es el doble de la energía cinética.

[matemáticas] {\ displaystyle 2 \ langle T \ rangle = n \ langle V _ {\ text {TOT}} \ rangle} \ tag * {} [/ math]

Frederic Rachford

Según Newton y Einstein, la velocidad a la que los objetos orbitan está relacionada con la cantidad de materia contenida dentro de su órbita. Las órbitas de las estrellas alrededor de las galaxias y las galaxias alrededor de los grupos de galaxias tienen sentido solo si hay materia invisible dentro de esas órbitas. Algo está mal y la explicación actual es la materia oscura.

Joe Rarey

Básicamente, la relatividad general, que es nuestra teoría más exitosa para modelar la gravitación.

Me gustó mucho la respuesta de Matthijs citando el teorema virial porque describe un aspecto muy interesante y mucho menos conocido, y de hecho fue la primera pista sobre la existencia de materia oscura (el teorema se remonta a finales del siglo XIX, mucho antes de la oscuridad debate sobre la materia), pero en mi humilde opinión el teorema virial es principalmente un teorema estadístico y no una ley matemática definida que describe la naturaleza intrínseca del universo.

Sí, la mayoría de las estructuras dinámicas masivas parecen seguir la relación del teorema virial, por lo que el teorema es sin duda importante, pero no existe una teoría matemática científica clara que describa con precisión por qué el teorema debería mantenerse con precisión. Los agujeros negros son quizás el extremo que muestra que ejercen una gravitación clara y, sin embargo, no muestran dinámica, ya que carecen de extensión de volumen espacial más allá del llamado horizonte de eventos, no tienen ninguna dinámica de macroescala aparente.

Pero la relatividad general es suficiente para revelar la inconsistencia entre la velocidad de rotación prevista de las galaxias basada en la masa aparente y su comportamiento de rotación real. Parece claro que debe haber más masa presente en las afueras de la galaxia, en alguna forma invisible y que no parece encajar con ningún modelo de “materia ordinaria invisible”. Debe ser algo realmente diferente de las partículas masivas conocidas.