Telescópio Espacial James Webb encontra evidências de teoria alternativa da gravidade

• Observações de galáxias antigas pelo JWST aumentam a possibilidade de que galáxias tenham se formado mais rapidamente do que o esperado no Universo primitivo, levando a uma nova comparação entre a explicação padrão Lambda-CDM e as previsões da MOND
• O modelo padrão de matéria escura considera que as galáxias iniciais começaram pequenas e pouco luminosas, crescendo lentamente, mas as galáxias observadas parecem brilhantes, grandes e suficientemente formadas
• Stacy McGaugh, da Case Western Reserve University, e colegas previram em 1998 que galáxias poderiam se formar rapidamente mesmo sem matéria escura, e veem os dados atuais do JWST como mais próximos dessa previsão
• A MOND é uma teoria que tenta explicar a discrepância nas curvas de rotação das galáxias modificando a segunda lei de Newton, mas ainda não há uma estrutura completa compatível com a relatividade geral de Einstein
• Lambda-CDM é um modelo amplamente apoiado que explica a taxa de expansão do Universo e sua estrutura quase plana, e algumas medições astronômicas modernas ainda sustentam a hipótese da matéria escura

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Observações do JWST abalam o cenário de formação das primeiras galáxias

• O James Webb Space Telescope observa as regiões mais distantes do Universo para examinar galáxias antigas do passado
• Pesquisadores da Case Western Reserve University veem as varreduras de galáxias antigas coletadas pelo JWST como conflitantes com as previsões da teoria amplamente aceita de Cold Dark Matter, a Lambda-CDM
• Os valores observados são interpretados como um caso que se encaixa melhor na explicação da teoria alternativa da gravidade Modified Newtonian Dynamics(MOND)
• Se esse resultado estiver correto, astrônomos e cosmólogos terão de reexaminar a MOND, há muito tempo controversa

O crescimento lento esperado pela Lambda-CDM

• O modelo Lambda-CDM considera a matéria escura essencial para explicar a estrutura do Universo
• Nesse modelo, a influência gravitacional da matéria escura impulsiona a formação de galáxias e estruturas em grande escala
• Galáxias antigas do Universo primitivo deveriam ser pequenas e pouco luminosas, pois se reuniriam gradualmente ao longo do tempo cósmico sob efeito da matéria escura
• McGaugh considera que, se a Lambda-CDM estiver correta, a gravidade adicional da matéria escura deveria puxar lentamente pequenos fragmentos de matéria ao redor das primeiras galáxias em direção ao centro
• No entanto, as galáxias observadas pelo JWST em um passado mais distante aparecem como brilhantes, grandes e suficientemente formadas

A formação rápida de estruturas explicada pela MOND

• A MOND é uma teoria proposta pela primeira vez em 1983 pelo físico israelense Mordehai Milgrom
• A teoria modifica a segunda lei de Newton para explicar a discrepância nas curvas de rotação das galáxias sem introduzir matéria escura
• A modificação da MOND torna-se importante em regiões de aceleração muito baixa, como as periferias do Universo observadas pelo JWST
• Em 1998, McGaugh foi coautor, junto com Federico Lelli, Jay Franck, James Schombert e outros, de um artigo argumentando que a formação de galáxias ocorre mais rapidamente e não depende da matéria escura
• Nessa hipótese, a matéria galáctica se reúne rapidamente, expande-se junto com o Universo e depois colapsa sob a gravidade, formando cedo estruturas grandes e brilhantes

Comparação entre dados do JWST e previsões existentes

• McGaugh e colegas consideram que os dados do JWST estão mais próximos das previsões dos defensores da MOND do que do modelo Lambda-CDM
• Como exemplo, McGaugh vê as previsões baseadas em MOND de R H Sanders como mais precisamente alinhadas às observações do que as previsões de Mo, Mao e White, defensores da Lambda-CDM
• Um fato incompatível com um modelo não significa, por si só, que o modelo deva ser abandonado, mas, se ele não explicar adequadamente os dados observacionais, sua estrutura teórica pode se enfraquecer
• Algumas medições astronômicas modernas ainda apoiam a hipótese da matéria escura

Lambda-CDM ainda recebe amplo apoio

• Embora a MOND pareça explicar bem algumas observações do JWST, a Lambda-CDM ainda recebe amplo apoio
• A Lambda-CDM vem prevendo com precisão a taxa de expansão do Universo desde a década de 1920
• Evidências da constante cosmológica, que mantém o Universo em expansão, também fazem parte da estrutura Lambda-CDM
• O Universo é quase plano, como exige a Lambda-CDM, mas pequenos desvios continuam sendo uma área que requer investigação adicional
• A comunidade astrofísica mais ampla considera que a Lambda-CDM resistiu a muitos testes e oferece uma estrutura coerente para entender o Universo

Tarefas restantes e artigo

• McGaugh reconhece que a tarefa de encontrar uma teoria compatível tanto com a relatividade geral quanto com a MOND ainda não foi concretizada
• Os resultados mostrados pelo JWST não combinam com a expectativa de que grandes galáxias do Universo próximo tenham começado a partir de fragmentos muito pequenos
• McGaugh diz que o cerne do método científico é fazer previsões e verificar quais delas estão corretas
• O artigo relacionado Accelerated Structure Formation: The Early Emergence of Massive Galaxies and Clusters of Galaxies foi publicado em 12 de novembro de 2024 no The Astrophysical Journal

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Opiniões do Hacker News

• Acho que este texto é enganoso, mesmo sendo generoso. Ele diz algo como “varreduras de galáxias antigas coletadas pelo JWST parecem contradizer as previsões do ΛCDM, o modelo mais amplamente aceito”, mas o ΛCDM não prevê como as galáxias deveriam parecer; ele prevê quanta massa há dentro de estruturas colapsadas e que halos de matéria escura crescem hierarquicamente
  Já com o JWST, vemos luz e precisamos inferir as propriedades físicas reais desses sistemas. Logo no início já havia resultados mostrando que, mesmo assumindo o limite teórico superior — isto é, que todo o gás dentro de uma estrutura colapsada se transforme em estrelas —, a função de luminosidade resultante ficava várias ordens de grandeza acima das observações do JWST: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023MNRAS.521..497M/abstra...
  Portanto, mesmo dentro do ΛCDM, há bastante espaço para a existência de galáxias iniciais brilhantes, grandes em aparência e massivas. Com os dados atuais do JWST sobre o Universo primitivo, acho difícil apoiar ou refutar o ΛCDM de forma convincente, porque tudo é sensível demais ao modelo de formação de galáxias adotado

  • Explicações do tipo “é sensível demais ao modelo de formação de galáxias adotado para apoiar ou refutar o ΛCDM de forma convincente” definitivamente não eram a forma como o ΛCDM era apresentado antes do Webb. Na época, era uma teoria bem avaliada, e havia a expectativa de que novos dados, como na detecção do Higgs, restringiriam melhor as fronteiras e nos levariam ao próximo passo
    Mas, na prática, está mais para uma bagunça: não vimos o que era esperado, e agora parece haver um recuo para “mas o ΛCDM não foi exatamente provado errado, certo?”. Isso não significa que o ΛCDM esteja errado nem que o MOND esteja certo, mas certamente parece um momento de mudança de paradigma kuhniana, então acho que é preciso levar ideias mais amplas a sério
  • É estranho tratar como problema o fato de o JWST ver apenas luz. A teoria da matéria escura foi construída inteiramente com base em objetos que emitem luz, e não há esse contraste entre o método do JWST e outros métodos
    Desmerecer o JWST porque ele só consegue ver luz é parecido com desmerecer Galileu porque ele só conseguiu construir um telescópio. Seria ótimo se pudéssemos nos teletransportar até o objeto de estudo e obter mais informações, mas, na realidade, precisamos obedecer às regras da realidade. Além disso, o argumento de que “é sensível ao modelo de formação de galáxias” me parece inválido, porque coloca a carroça na frente dos bois

• A parte que sempre me pega no MOND é a relatividade geral. Sei que a gravidade não é newtoniana e que a lei do inverso do quadrado não vale exatamente. Um modelo gravitacional baseado na lei do inverso do quadrado é simplesmente um modelo errado
  O link de outro comentário, https://tritonstation.com/new-blog-page/, é um excelente texto e defende a ideia de que a relatividade geral nunca foi testada em regimes de baixa aceleração e pode estar errada. Mas também sabemos que o MOND está errado em altas acelerações. Se não abranger os dois lados, acho difícil vê-lo como uma melhoria da RG. Isso pode soar um pouco agressivo, mas acho que a pesquisa em gravidade modificada é bastante valiosa; só não é uma solução universal

  • O MOND não foi proposto como uma melhoria da RG. Como o próprio nome diz, era originalmente uma teoria de dinâmica newtoniana
    Existem versões relativísticas do MOND, como o TeVeS https://en.m.wikipedia.org/wiki/Tensor%E2%80%93vector%E2%80%..., mas elas ainda têm vários problemas
  • A relatividade geral também não se encaixa com a mecânica quântica em situações extremas; portanto, se a mecânica quântica não estiver errada, então a RG também tem partes que, na prática, estão erradas. Por isso, talvez não seja apropriado tratar a RG como evangelho
    Em especial, parece que o MOND só altera a RG em condições extremas, e “não se encaixa” talvez signifique, na prática, que a matemática é difícil e que os físicos ainda não trabalharam o suficiente nisso. Aceitar uma RG modificada no estilo MOND dificilmente mudaria a forma como o GPS funciona, então acho difícil refutar completamente o MOND apenas dizendo que “a RG resistiu ao teste do tempo e da engenharia”
  • A afirmação de que a gravidade não é newtoniana e que a lei do inverso do quadrado não se aplica precisa de base. Fora de ambientes extremos de massa e energia, há quase consenso de que a gravidade funciona como Newton descreveu, com precisão de muitas casas decimais
    Isso não quer dizer que a relatividade geral esteja errada; quer dizer que, em escala galáctica, a gravidade funciona de modo newtoniano, e os efeitos da RG são extremamente pequenos
  • Não sou físico, mas vejo o mesmo erro em vários lugares. O teorema da casca não se aplica a discos nem a galáxias
    Mesmo em textos avançados, repete-se a simplificação de tratar a matéria dentro de um raio como uma massa pontual no centro e ignorar a gravidade da massa fora desse raio porque ela se cancelaria. Essa simplificação funciona para cascas esféricas de densidade uniforme ou sólidos esféricos, mas não se aplica a discos ou anéis, ou seja, a galáxias
  • O MOND tem generalizações relativísticas que, em baixas energias, se reduzem à dinâmica do MOND. Mas, embora eu não seja especialista nessa área, entendo que essas teorias são meio ad hoc e pouco calculáveis, por isso não são levadas muito a sério
    No MOND, o “trabalho real” parece ser feito em grande parte na forma clássica, e isso soa como uma trapaça bastante séria. Dá para construir uma grande teoria sobre uma suposição, mas é preciso ao menos tentar provar essa suposição

• O texto fala em “evidências surpreendentes” e depois, mais adiante, usa uma formulação condicional: “as observações parecem apoiar a base do MOND, o que pode levar astrônomos e cosmólogos a reconsiderar essa teoria alternativa da gravidade há muito controversa”. Não sei o que seria evidência condicional, e talvez eu esteja perdendo o quadro geral, mas esse tipo de escrita é impreciso, mesmo sendo generoso

  • É o típico jornalismo de ciência popular, com título feito para cliques. Melhor ler o artigo científico
  • Essa evidência precisa ser verificada matemática e empiricamente, e é do tipo que pode deixar margem para considerar que uma teoria hoje marginal se ajusta melhor do que a teoria dominante
    Há tantas incógnitas na física que o outro lado pode responder facilmente: “sua teoria também ainda não explica XYZ, então é provável que baste ajustarmos um pouco a nossa”. Pelo que entendo como amador, é um assunto em que pessoas razoáveis podem divergir
  • Ainda não há consenso nem métricas reproduzíveis. Dizer “vamos examinar mais esse lado” é totalmente razoável

• Não entendo por que alguém compartilharia um texto com um título sensacionalista desses. Não é de surpreender que a reputação do jornalismo científico esteja piorando. Textos assim minam seriamente os esforços de quem tenta comunicar ciência direito.

  • Se não fosse este artigo e a discussão no HN, eu não conheceria a MOND; no mínimo, é uma teoria interessante.
  • Em todas as etapas, do autor do artigo aos canais de distribuição, os incentivos empurram nessa direção e recompensam com dinheiro, visualizações, influência, notoriedade, pontos e atenção. Para fazer isso parar, é preciso remover os incentivos.

• Acompanho pelo blog a autora principal, Stacy McGaugh, que publica pesquisas recentes e reflexões sobre o debate matéria escura versus MOND: https://tritonstation.com/new-blog-page/
  O argumento dela é bastante convincente e relativamente claro. Não sou astrofísico, mas tenho dois diplomas em física, e a teoria da matéria escura sempre me pareceu insuficiente. Na ausência de qualquer evidência de causalidade, a matéria escura só pode ser descrita como “os lugares onde gostaríamos de colocar matéria para fazer a teoria da gravidade fazer sentido”, o que é completamente invertido do ponto de vista científico básico. À medida que a sensibilidade dos instrumentos de observação continua melhorando, as previsões baseadas nas hipóteses modernas da MOND parecem ficar cada vez mais precisas.

  • Quando teoria e observação não coincidem, não está definido de antemão se é a teoria que precisa ser corrigida ou se falta algo na observação. No século XIX, a órbita de Urano não batia com as previsões da teoria de Newton; ao assumir que a teoria newtoniana estava correta e que faltava algo em nossas observações, os cálculos previram a posição de Netuno, que de fato foi descoberto.
    Por outro lado, a órbita de Mercúrio também divergia das previsões newtonianas e, nesse caso, surgiu a hipótese de que havia um planeta ainda não observado perto do Sol, mas a solução real foi uma modificação da teoria da gravidade: a relatividade geral. A RG previu com exatidão a precessão do periélio de 43 segundos de arco por século que fazia a órbita de Mercúrio se desviar da previsão de Newton, e também foram verificadas previsões como a deflexão gravitacional da luz, buracos negros e ondas gravitacionais. Portanto, é claro que há uma discrepância entre teoria e observação, mas não dá para saber de antemão se a solução é modificar a teoria ou introduzir uma nova forma de matéria; não é anticientífico formular a segunda hipótese e ver até onde ela vai. A dificuldade é criar uma estrutura teórica que preserve as previsões bem-sucedidas da RG e, ao mesmo tempo, explique as curvas de rotação das galáxias.
  • A matéria escura se comporta de maneira fundamentalmente diferente da matéria bariônica. A quantidade total de matéria no Universo — isto é, a soma de matéria escura e matéria bariônica — pode ser limitada pela abundância observada produzida na bariogênese, e a matéria escura também afeta de modo diferente as amplitudes relativas dos picos da radiação cósmica de fundo em micro-ondas.
    Pelo que parece, a MOND quase nunca teve sucesso fora da modelagem das curvas de rotação das galáxias. O ceticismo em relação a matéria escura versus MOND sempre me parece estranho. A matéria escura não exige tanta física nova, sendo algo como acrescentar uma nova partícula ao Modelo Padrão, enquanto a maioria das teorias MOND quebra a invariância de Lorentz, o que é um afastamento muito mais radical da física padrão. Teorias MOND mais sofisticadas que preservam a invariância de Lorentz, como a TeVeS, acabam parecendo, na prática, teorias de matéria escura embrulhadas na linguagem da MOND.
  • Não acho essa abordagem necessariamente injustificada. É exatamente assim que se procuram planetas. Há uma diferença inesperada no movimento de algum planeta ou estrela, e ela seria explicada se houvesse um planeta ali. Quando se observa de fato, havia mesmo um planeta lá.
  • Normalmente entendo “matéria escura” como uma abreviação para a discrepância entre teoria e observação. A explicação pode ser, de fato, matéria escura, ou pode ser resolvida por uma observação ou mudança teórica totalmente inesperada.

• Gostaria que jornalistas de ciência não usassem MOND como representante de todas as teorias em que a MOND aparece como limite de baixa curvatura. A MOND em si não é covariante e tem muitos problemas conhecidos, portanto é claramente inadequada como ponto de partida.
  Teorias mais sofisticadas da família da relatividade geral reproduzem comportamentos do tipo MOND, mas funcionam melhor e são mais plausíveis. Para evitar ao menos debates inúteis sobre MOND, deveriam usar os termos gravidade modificada ou MOG em vez de MOND.

• Se você está se perguntando o que exatamente MOND significa, há um verbete na Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Modified_Newtonian_dynamics

• O texto de Sean Carroll sobre MOND está aqui: https://www.preposterousuniverse.com/blog/2011/02/26/dark-ma...
  Acho essa explicação mais convincente.

• Estou esperando Angela Collier fazer um vídeo sobre esse tema. Imagino que muita gente vá mandar este artigo para ela. Apesar da divulgação, a MOND é, de fato, uma área de nicho na cosmologia.

• Fico curioso se existe uma versão quantizada da MOND. Não sei se a aceleração aumentada ocorre porque unidades quantizadas da gravidade exercem força mesmo a distâncias em que, em princípio, a força deveria ser menor do que um “quantum de gravidade”, ou se, em distâncias muito grandes, a quantização cria um teto em vez de um piso.
  Se a gravidade tiver alguma partícula ou quantização fundamental como o fóton e, basicamente, atuar mesmo em distâncias muito grandes ou “infinitas”, fico me perguntando se seria mais plausível haver algum piso de quantização ou uma faixa de quantização. Ou então se a quantização da gravidade impõe um limite ao alcance da atração gravitacional, ou se, na gravidade quântica, isso é visto como uma redução na proporção de “gravitons” que interagem entre objetos. Estou perguntando sem entender bem o assunto, e tenho curiosidade sobre o que um graviton significa em teorias como MOND ou ΛCDM.