Un comportamiento inusual de la gravedad podría explicar la materia oscura

La materia oscura es uno de los componentes del modelo cosmológico actual, introducido para explicar las discrepancias entre la masa visible de las galaxias y los efectos gravitacionales observados.

Efectos como las curvas de rotación de las galaxias, la dinámica de los cúmulos y los patrones en la radiación cósmica de fondo de microondas indican la presencia de un tipo de materia que no emite ni absorbe luz. La existencia de este tipo de materia se infiere a través de sus efectos gravitacionales sobre la materia bariónica y la luz.

Uno de los grandes retos de la astronomía es que la naturaleza de la materia oscura sigue siendo desconocida. Actualmente, el enfoque más común asume que está compuesta por nuevas partículas fundamentales, como WIMPs, axiones o neutrinos, que interactúan débilmente con la materia ordinaria.

Otras alternativas para explicar la materia oscura, sin necesidad de una nueva partícula, son modificaciones en el comportamiento de la gravedad a gran escala o en regímenes de baja aceleración.

Con las propuestas de gravedad modificada, los efectos atribuidos a la materia oscura provienen de un comportamiento diferente de la gravedad, que se desvía de las predicciones de la relatividad general en ciertos contextos. Modelos de este tipo sugieren que la ley de la gravedad puede cambiar en diferentes entornos.

Con esto, las curvas de rotación galáctica y las estructuras a gran escala podrían explicarse sin necesidad de materia oscura. Recientemente ha surgido una nueva propuesta denominada esquema de funcionamiento infrarrojo.

Materia oscura y gravedad

La materia oscura es un componente del Universo que ayuda a explicar los efectos gravitacionales que no pueden atribuirse a la materia visible. Las primeras observaciones de la posible existencia de este componente se realizaron en las curvas de rotación de las galaxias.

En lugar de que las curvas siguieran un patrón esperado considerando solo la materia visible, exhiben un comportamiento donde debería haber más masa de la esperada. Tras estas primeras observaciones, se realizaron otras, como las de cúmulos de galaxias.

En la práctica, la definición observacional de materia oscura es completamente gravitacional. Su presencia se infiere a partir de las desviaciones entre el campo gravitacional esperado, calculado a partir de la materia luminosa, y el observado.

Estas desviaciones aparecen en las curvas de rotación de las galaxias, en los efectos de lente gravitacional y en la formación de estructuras a gran escala. Por lo tanto, la gravedad actúa como el principal método para cartografiar la materia oscura hasta la fecha y define nuestra comprensión de este componente.

Modificación en la descripción de la gravedad

Una forma de explicar la materia oscura es mediante las teorías denominadas dinámica newtoniana modificada (MOND), que proponen una modificación de la ley de gravitación de Newton. Esta modificación se produciría en regímenes de baja aceleración, típicos en los bordes de las galaxias, como alternativa a la hipótesis de la materia oscura.

La MOND sugiere que la relación entre fuerza y aceleración deja de ser lineal por debajo de cierto umbral, reproduciendo de forma natural las curvas de rotación de las galaxias sin necesidad de un halo de materia oscura.

Las teorías de la gravedad modificada generalizan esta idea alterando las ecuaciones de gravitación a escala galáctica o cosmológica. Algunos ejemplos incluyen extensiones de la gravedad con campos escalares, vectoriales o geométricos.

El objetivo de estos enfoques es explicar los fenómenos atribuidos a la materia oscura y la energía oscura mediante una gravedad diferente. Mantienen coherencia con las observaciones cosmológicas, el efecto de lente gravitacional y la radiación cósmica de fondo de microondas.

Funcionamiento infrarrojo

Recientemente, un nuevo artículo publicado en Physics Letters B introdujo el concepto de un esquema de funcionamiento infrarrojo. La idea de este esquema proviene de la teoría cuántica de campos aplicada a la gravedad, en la que la constante gravitacional no se considera un valor fijo en todas las escalas.

La constante puede variar con la longitud de onda asociada al fenómeno físico en cuestión. Sin introducir nuevas partículas, el modelo permite que la intensidad de la interacción gravitacional cambie con la escala.

Al aplicar el corrimiento infrarrojo, el estudio obtiene un potencial gravitacional modificado que se desvía de la ley del cuadrado inverso de Newton. En la escala infrarroja, el potencial incluye un término proporcional a 1/r.

Este comportamiento altera la dinámica orbital de las galaxias, reproduciendo las curvas de rotación sin necesidad de materia oscura. El resultado demuestra que es posible explicar las observaciones galácticas basadas en el corrimiento infrarrojo.

Universo sin materia oscura

En el contexto del corrimiento infrarrojo, durante la formación de la radiación cósmica de fondo de microondas y el inicio de la formación de estructuras, la gravedad se comportó casi exactamente como se predice hoy.

En este modelo, los posibles cambios en la gravedad surgen gradualmente, aumentando con el tamaño de las escalas y con la evolución del Universo. Esta idea mantiene la concordancia con el Universo joven y solo produce mayores efectos en épocas más recientes y a escalas galácticas.

Por lo tanto, los efectos normalmente atribuidos a la materia oscura podrían explicarse como resultado de un comportamiento diferente de la gravedad a grandes distancias. El principal reto de esta propuesta es verificar si puede explicar observaciones como el efecto de lente gravitacional y el movimiento de los cúmulos de galaxias.

Sin embargo, el funcionamiento infrarrojo aún requiere pruebas observacionales más precisas para consolidarse como una propuesta para comprender la naturaleza de la materia oscura.

Referencia de la noticia

Kumar 2025 Marginal IR running of gravity as a natural explanation for dark matter Physics Letters B