Если темная материя является наиболее распространенной формой массы и обладает гравитацией, то где находятся все структуры темной материи?
«Все предприятия, начатые с нескромным рвением, могут поначалу осуществляться с большой энергией, но в конце обязательно потерпят крах». - Тацит
Не могу поверить, что уже вышло 100 выпусков нашей серии «Спросите Итана». Каждую неделю вы отправляете свои вопросы и предложения, и я выбираю свой любимый, чтобы продемонстрировать и ответить миру. На этой неделе было очень трудно отклонить некоторые предложения, но я не мог отказать Джерри Мейсону:
Если темная материя обладает гравитацией, почему она не образует черные дыры или другие структуры?
Темная материя определенно обладает гравитацией и уж точно не образует черных дыр, звезд темной материи, планет или темных атомов. Так почему же это?
Представьте Вселенную такой, какой она могла бы быть на очень, очень ранних стадиях, до того, как появились черные дыры, звезды, планеты или атомы. Все, что у нас было, - это горячее, плотное, расширяющееся «море» материи и излучения всех возможных типов. К тому времени, как Вселенная состарится на несколько минут, в ней будут атомные ядра, все электроны, нейтрино и фотоны, а также вся темная материя.
Они все летают с невероятной скоростью, конечно, но все они также воздействуют друг на друга. Это правда, что все они чувствуют гравитационную силу (даже фотоны, благодаря эйнштейновской эквивалентности энергии и массы), но здесь важна не только гравитация.
Фотонам и электронам приходится хуже всего: они очень часто взаимодействуют посредством электромагнитной силы, рассеиваясь и «отскакивая» друг от друга, обмениваясь энергией, импульсом и сталкиваясь с угрожающей скоростью.
С ядрами дело обстоит немного лучше: они намного массивнее, поэтому скорость их взаимодействия ниже, и они набирают (или теряют) меньший импульс при каждом столкновении.
Нейтрино повезло больше: у них нет электрического заряда, и поэтому они вообще не взаимодействуют посредством электромагнитной силы. Вместо этого они могут взаимодействовать (помимо гравитации) только посредством слабого взаимодействия, что означает, что столкновения невероятно редки.
Но с точки зрения свободы лучше всего подходит темная материя: насколько мы можем судить, она взаимодействует только через гравитацию. Здесь вообще нет столкновений, поэтому все, что может делать темная материя, - это притягиваться к другим источникам материи.
Это может, как вы беспокоитесь, усугубить ситуацию! В то время как нормальная материя имеет столкновения и взаимодействия, препятствующие ее гравитационному коллапсу, образованию более плотных сгустков и т. д., плотность темной материи начинает расти в сверхплотных областях. Но это не происходит так, как вы думаете о «крахе». Что происходит, когда газовое облако коллапсирует, образуя звезды?
Газ взаимодействует с гравитационной силой, становясь более плотным, но вещество, из которого состоит этот газ, слипается, позволяя ему достичь более плотного состояния. Эта «липкость» происходит только благодаря электромагнитной силе! Вот почему вещи могут разрушаться, образуя связанные объекты, такие как звезды, планеты и даже атомы.
Без этой липкости? Вы просто получите диффузную, слабо скрепленную, «пушистую» структуру, связанную вместе только под действием гравитации. Вот почему вы слышите о ореолах темной материи, о нитях темной материи в очень больших масштабах и ни о каких других структурах темной материи.
Эти рассеянные, пушистые ореолы невероятно важны: они представляют собой семена всех связанных структур во Вселенной сегодня. Сюда входят карликовые галактики, нормальные галактики, группы галактик, скопления галактик, сверхскопления и нити, а также вся субструктура, из которой состоят эти объекты. Но без этой дополнительной силы - без какой-то "липкой" силы, удерживающей ее вместе, обменивающейся энергией и импульсом - , темной материи суждено оставаться в этом пушистом, рассеянном состоянии. Обычная материя может образовывать прочно связанные структуры, к которым вы привыкли, но темная материя не имеет возможности неупругого столкновения, потери импульса или углового момента, и, следовательно, она должна оставаться слабо связанной и «подобной гало».
Немного смущает мысль о том, что не гравитационная сила приводит к планетам, звездам, черным дырам и многому другому, а гравитация является лишь частью уравнения. Чтобы по-настоящему донести эту мысль, представьте, что вы взяли какой-нибудь шар и запустили его, при этом шар, как вы знаете, сделан из атомов. Что будет делать мяч?
Конечно, он будет двигаться по параболе (пренебрегая сопротивлением воздуха), поднимаясь на максимальную высоту и опускаясь вниз, пока, наконец, не упадет на Землю. В более фундаментальном масштабе мяч движется по эллиптической орбите с центром масс Земли в качестве одного из фокусов эллипса, но земля мешает этому эллипсу, и поэтому часть, которую мы видим, выглядит как парабола.
Но если вы волшебным образом превратите этот шар в сгусток темной материи, то, что вы получите, вас сильно удивит.
Без электромагнитной силы происходит куча ужасных вещей:
- Между частицами, составляющими шар, и атомами Земли нет никакого взаимодействия, кроме гравитационного. Вместо параболы сгусток темной материи проходит через слои Земли, вращаясь вокруг центра по (почти идеальному) эллипсу (но не совсем из-за слоев и неравномерной плотности Земли).), выходя рядом с тем местом, где он вошел, снова образуя параболу, и продолжая так бесконечно вращаться по орбите.
- Также никакие взаимодействия не скрепляют этот комок! Таким образом, хотя атомы в шаре имеют некоторые случайные движения, они удерживаются вместе электромагнитной силой, сохраняя эту шарообразную структуру. Но если вы удалите эту электромагнитную силу, случайные движения частиц темной материи будут работать на то, чтобы отделить это от комка, поскольку гравитации самого комка недостаточно, чтобы удерживать его связанным вместе.
- Это означает, что со временем (и на многих орбитах) темная материя вытягивается в длинный эллипс, и этот эллипс становится все более и более размытым, подобно частицам, которые составляют поток обломков из комета, только еще более рассеянная!
Темная материя не может образовывать черные дыры или другие тесно связанные структуры, потому что одной гравитации недостаточно, чтобы связать что-то прочно. Поскольку сила гравитации настолько слаба, она может связывать ее лишь слабо, что означает создание огромных, рассредоточенных, очень массивных структур. Если вам нужен «комок» чего-то - звезды, планеты или даже атома - вам нужна сила, которая сильнее гравитации, чтобы это произошло.
Еще один может быть! Возможно, темная материя взаимодействует сама с собой (или взаимодействует с материей или излучением на каком-то уровне), но если это так, у нас есть ограничения только на то, насколько слабым является это взаимодействие. И это очень, очень слабо, если вообще не равно нулю.
Итак, хотя мы думаем о гравитации как о единственной силе, которая имеет значение в самых больших масштабах, правда заключается в том, что когда мы думаем о структурах, которые мы видим - тех, которые испускают свет, атомах дома и молекулы, которые коллапсируют в черные дыры - это другие силы, совместно с гравитацией, которые вообще позволяют им существовать. К сожалению, темная материя не может создать эти структуры, потому что одной гравитации просто недостаточно для выполнения этой работы.
И это все для 100-го выпуска Ask Ethan!
Есть вопрос или предложение для Ask Ethan? Отправьте его сюда на рассмотрение.
Оставляйте свои комментарии на нашем форуме и поддержите Starts With A Bang на Patreon!