Ist dunkle Materie von dunkler Materie abstoßend? Wieso den?

Die Antwort von Lubos Motl ist genau richtig. Dunkle Materie hat "normale" Gravitationseigenschaften: Sie zieht andere Materie an und sie zieht sich selbst an (dh jedes Teilchen der dunklen Materie zieht jedes andere an, wie Sie es erwarten würden).

Aber es stimmt, dass dunkle Materie nicht zu sehr dichten Strukturen zusammengebrochen zu sein scheint – das heißt, Dinge wie Sterne und Planeten. Dunkle Materie häuft sich an und kollabiert gravitativ zu Klumpen, aber diese Klumpen sind viel größer und diffuser als die Klumpen gewöhnlicher Materie, mit denen wir so vertraut sind. Warum nicht?

Die Antwort scheint zu sein, dass dunkle Materie nur wenige Möglichkeiten hat, Energie abzuleiten. Stellen Sie sich vor, Sie hätten eine diffuse Stoffwolke, die unter ihrem eigenen Gewicht zusammenzubrechen beginnt. Wenn es keine Möglichkeit gibt, seine Energie abzubauen, kann es keine stabile, dichte Struktur bilden. Alle Partikel fallen in Richtung Zentrum, aber dann haben sie so viel kinetische Energie, dass sie gleich wieder herausspringen. Um zu einer dichten Struktur zusammenzufallen, müssen die Dinge „abkühlen“.

Gewöhnliche atomare Materie hat verschiedene Möglichkeiten, Energie abzuleiten und abzukühlen, wie z. B. das Aussenden von Strahlung, wodurch sie kollabieren und nicht zurückprallen kann. Soweit wir das beurteilen können, wechselwirkt dunkle Materie nur schwach: Sie emittiert oder absorbiert keine Strahlung, und Kollisionen zwischen Teilchen dunkler Materie sind selten. Da es schwer abzukühlen ist, bildet es diese Strukturen nicht aus.

Dunkle Materie muss sicherlich eine positive Masse tragen, und nach dem Äquivalenzprinzip müssen alle positiven Massen eine anziehende Schwerkraft auf andere Massen ausüben.

Auch vom Standpunkt der phänomenologischen Kosmologie wollen wir offensichtlich, dass sich die dunkle Materie anzieht. Sie muss sichtbare Materie anziehen, denn aus diesem Grund wurde Dunkle Materie überhaupt eingeführt: Sie hilft, die Sterne in einer Galaxie zu halten, obwohl sie schneller umkreisen, als man aufgrund der Verteilung der sichtbaren Masse in der Galaxie erwarten würde.

Aus diesem Grund ist die Kraft zwischen dunkler Materie und gewöhnlicher Materie sicherlich attraktiv. Auch die Kraft zwischen dunkler Materie und dunkler Materie muss anziehend sein. Tatsächlich hat dunkle Materie die dominierende Rolle bei der Strukturbildung gespielt – der Entstehung der anfänglichen Ungleichmäßigkeiten, die schließlich zu Galaxien, Galaxienhaufen und so weiter wurden. Die Halos aus Dunkler Materie sind größer als die sichtbaren Teile der Galaxien: Die sichtbaren Sterne entstanden als „Kirschen auf dem Kuchen“ in der Nähe der Zentren der Halos aus Dunkler Materie.

Es besteht kein Zweifel, dass die Gravitationskraft zwischen jedem Paar teilchenähnlicher Einheiten anziehend ist. Dies hängt mit der positiven Masse, dh der positiven Energie zusammen, die für die Stabilität des Vakuums benötigt wird (wenn es negative Energiezustände gäbe, würde das Vakuum spontan in sie zerfallen, was katastrophal wäre und nicht passiert) und die grundlegenden Eigenschaften von generelle Relativität. Insbesondere herrscht unter Laien große Verwirrung darüber, ob Antimaterie eine anziehende Gravitation besitzt. Ja, natürlich sind die Gravitationskräfte Materie-Antimaterie und Antimaterie-Antimaterie bekanntermaßen auch anziehend.

Die nicht-gravitativen Kräfte zwischen dunkler Materie sind mit ziemlicher Sicherheit Kräfte mit kurzer Reichweite. Insbesondere interagiert dunkle Materie nicht mit Elektromagnetismus, der einzigen weitreichenden nichtgravitativen Kraft (vermittelt durch ein masseloses Photon), die wir kennen – deshalb ist sie dunkel (strahlt kein Licht aus).

Die einzige abstoßende Kraft, die in ähnlichen kosmologischen Diskussionen auftaucht, ist eine aufgrund der dunklen Energie – oder der kosmologischen Konstante, um genauer zu sein. Dunkle Energie ist etwas ganz anderes als Dunkle Materie. Diese Kraft beschleunigt die Expansion des Universums und ist auf den negativen Druck der dunklen Energie zurückzuführen, von der argumentiert werden kann, dass sie diese "abstoßende Schwerkraft" verursacht. Dunkle Energie besteht jedoch nicht aus irgendwelchen Teilchen. Es ist nur eine Zahl, die jedem Raumvolumen einheitlich zugeordnet ist.

Unter Laien gibt es ein weit verbreitetes Missverständnis, dass sich der Ausdruck „dunkle Materie“ auf tatsächliche Materie bezieht. Das tut es nicht. Es bezieht sich einfach auf alles, was eine konstante Winkelgeschwindigkeit in Sternen verursacht, die Galaxien umkreisen (insbesondere Spiralarmgalaxien). Kurz gesagt, es gibt absolut kein Erfordernis, dass dunkle Materie wirkliche Materie ist.