Если темная материя имеет наибольшую массу во Вселенной и обладает гравитацией, то где из нее состоят структуры?
Все предприятия, начинающиеся с безудержным рвением, поначалу могут быть осуществлены с большой силой, но в конце концов они обязательно потерпят неудачу.Не могу поверить, что «Спроси Итана» уже вышло 100 серий.— Тацит
Каждую неделю вы задаете свои вопросы, и я выбираю понравившиеся, на которые публично отвечаю.
На этой неделе было несколько довольно сложных вопросов, но ни на один из них я не могу отказать Джерри Мейсону: Если темная материя обладает гравитацией, почему она не образует черные дыры или другие структуры? Темная материя (ТМ) обладает гравитацией и на самом деле не образует черные дыры (ЧД), «темные» звезды, планеты или атомы.
Почему? 
Представьте себе Вселенную на самых ранних стадиях ее развития, до появления черных дыр, звезд, планет и атомов.
Это горячее, плотное, расширяющееся «море» материи и излучений всех допустимых видов.
Во Вселенной, которой всего несколько минут, уже есть атомные ядра и электроны, нейтрино и фотоны, а также вся темная материя.
Все это не только летает на огромных скоростях, но и взаимодействует друг с другом.
На все это влияет гравитация (даже на фотоны, благодаря эквивалентности массы и энергии Эйнштейна), но гравитация — не единственный фактор.
Хуже всего фотоны и электроны: они очень часто взаимодействуют за счет электромагнетизма, разлетаются и «отскакивают» друг от друга, обмениваясь энергиями и импульсами.
Ядра лишь немногим легче: они более массивны, поэтому взаимодействуют реже и при каждом столкновении теряют или приобретают меньший импульс.
Нейтрино повезло: они не имеют заряда и не подвержены электромагнитным взаимодействиям.
Они подвержены (кроме гравитации) только слабым взаимодействиям, поэтому столкновения происходят очень редко.
Но темная материя в целом хороша: она, судя по всему, взаимодействует только посредством гравитации.
Никаких столкновений не происходит; его притягивают только другие источники материи.
Но вы можете переживать, что это только усугубит ситуацию.
В обычной материи происходят столкновения и взаимодействия, препятствующие гравитационному коллапсу и образованию плотных комков.
А темная материя в более плотных областях космоса будет скапливаться в комки.
Но это происходит не совсем так, как вы себе представляете.
Например, что происходит, когда газовое облако коллапсирует и образует звезду? 
Газ становится более плотным под действием силы тяжести, но вещество, из которого он состоит, слипается, позволяя газу достичь более плотного состояния.
И держится он только благодаря электромагнетизму! Вот почему материя может коллапсировать и создавать связанные объекты, такие как звезды, планеты и атомы.
А без этого вы получите лишь разбросанную, «рыхлую» структуру, которая едва держится вместе, удерживаемая только силой тяжести.
Поэтому на больших масштабах можно услышать о гало темной материи или нитях темной материи, но не о других структурах, состоящих из нее.
Эти разреженные, рыхлые ореолы очень важны – они представляют собой зародыши всех связанных структур Вселенной.
Это карликовые галактики, нормальные галактики, группы галактик, скопления, сверхскопления и волокна, а также все подструктуры этих объектов.
Но без дополнительной силы, без эффекта «склеивания», скрепляющего все это для обмена энергией и импульсом, ТМ обречена оставаться в таком рыхлом и разреженном состоянии.
Обычная материя может образовывать плотные структуры, но темная материя не может неупруго сталкиваться, терять импульс и угловой момент и поэтому вынуждена существовать в виде гало.
Немного тревожно думать, что не гравитация удерживает вместе планеты, звезды, черные дыры и все остальное, но гравитация — это только часть уравнения.
Представьте, что вы запустили шар атомов.
Что с ним будет? 
Естественно, он будет двигаться по параболе (если не учитывать сопротивление воздуха), подниматься на максимальную высоту и падать до тех пор, пока не встретится с Землей.
В большом масштабе он будет двигаться по эллиптической орбите, в одном из фокусов которой окажется центр масс Земли, но поскольку на его пути находится его поверхность, часть его траектории имеет вид параболы.
А вот если этот шарик волшебным образом превратится в кусочек ТМ, то результат вас сильно удивит. 
Без электромагнитных сил произойдет много ужасных вещей:
• Кроме гравитации, никаких других взаимодействий между частицами шара и атомами Земли нет. Вместо параболы шар ТМ пройдет через все слои Земли, обойдет центр по почти идеальному эллипсу (но не совсем идеальному из-за неравномерной плотности Земли), выйдет недалеко от точки входа в поверхность, снова опишет параболу и будет продолжать лететь бесконечно.
• Сам комок тоже ничем не скреплен! Хотя атомы обычного шара тоже движутся хаотично, они удерживаются вместе электромагнитной силой, благодаря чему шар сохраняет свою форму.
Когда это взаимодействие будет устранено, хаотические движения частиц ТМ разорвут этот комок, поскольку одной гравитации недостаточно, чтобы удержать его.
• В результате со временем ТМ вытянется в эллипс, который постепенно станет разреженным, как обломки кометы (но будет еще более разреженным)! 
Темная материя не может образовывать черные дыры и другие плотные объекты, потому что одной гравитации недостаточно, чтобы связать эти объекты.
Поскольку гравитация настолько слаба, она может очень слабо связывать частицы, что приводит к образованию больших, редких и массивных структур.
Чтобы получить плотный комок чего-либо – в виде звезды, планеты, атома – необходимо взаимодействие более сильное, чем гравитация.
И вполне возможно, что темная материя взаимодействует сама с собой (или с материей и излучением на каком-то уровне), но если это так, то мы можем сказать, насколько слабо это взаимодействие.
Оно очень и очень слабое, если не нулевое.
И хотя мы представляем, что в больших масштабах имеет значение только гравитация, на самом деле другие взаимодействия позволяют существовать видимым структурам — тем, что светятся, тем, которые содержат молекулы и атомы, тем, которые коллапсируют в черные дыры.
ТМ, к сожалению, не может образовывать подобные структуры, потому что одной гравитации для этого недостаточно.
На этом завершается 100-я серия «Спроси Итана»! Теги: #астрономия #Популярная наука #физика #спроси Итана #темная материя
-
Модилиани, Франко
19 Oct, 24 -
Рассылка Приглашений
19 Oct, 24 -
Кэширование Данных — Java Spring
19 Oct, 24
