Wenn dunkle Materie nur mit der Schwerkraft interagiert, warum klumpt dann nicht alles an einem einzigen Punkt zusammen?

Tolle Frage. Beobachtungen zeigen, dass Dunkle Materie (DM) nur merklich gravitativ interagiert, obwohl es möglich ist, dass sie auf andere Weise "schwach" interagiert (zB im 'WIMP'-Modell --- verlinkt) . Alles Folgende hängt nicht davon ab, ob DM rein / nur gravitativ oder nur überwiegend gravitativ interagiert - also werde ich es der Einfachheit halber als den ersteren Fall behandeln.

Beobachtbare Materie im Universum ' klumpt ' enorm zusammen: in Gaswolken, Sternen, Planeten, Scheiben, Galaxien usw. Dies geschieht aufgrund elektromagnetischer (EM) Wechselwirkungen, die in der Lage sind, Energie zu dissipieren. Wenn Sie einen Ball über eine flache Oberfläche rollen, wird er langsamer und stoppt schließlich (effektiv „klumpt“ auf dem Boden), da dissipative Kräfte (Reibung) seine kinetische Energie weg übertragen können.

Stellen Sie sich andererseits vor, Sie bohren ein perfektes Loch direkt durch den Mittelpunkt der Erde und lassen eine Kugel hineinfallen. ( Angenommen, das Loch und die Erde sind perfekt symmetrisch ... ) Der Ball wird einfach ständig von einer Seite der Erde zur anderen hin und her oszillieren - wegen der Energieerhaltung. Wie ein reibungsfreies Pendel (kein Reiben, kein Luftwiderstand). So interagiert dunkle Materie rein gravitativ. Selbst wenn es kein Loch durch den Erdmittelpunkt gäbe, wird der DM einfach gerade hindurchgehen und weiter hin und her oszillieren, wobei er immer die gleiche Anfangshöhe erreicht. Bis zur nullten Ordnung kann dunkle Materie nur so viel „verklumpen“, wie es ihre Anfangsenergie ( kurz nach dem Urknall ) zulässt. Ein Beispiel für einen solchen „Klumpen“ ist a'Dark Matter Halo', in dem Galaxien eingebettet sind. DM Halos sind (effektiv) immer größer als die normale (baryonische) Materie in ihnen --- weil die normale Materie in der Lage ist, Energie zu zerstreuen und weiter zu kollabieren.

Da die Dunkle Materie nicht viel interagiert, gibt es keinen Mechanismus, der sie schnell verlangsamen würde. Wenn ein Teilchen aus dunkler Materie auf ein Gravitationszentrum zufällt, beschleunigt es, fliegt dann durch die Periapsis und setzt sich in die Ferne fort. Normale Materie verklumpt zu Planeten, weil sie durch Wechselwirkungen / Kollisionen abgebremst wird. Dunkle Materie kollidiert nicht und kann keine Energie abgeben. Es bleibt auf elliptischen Bahnen mit sehr großen Achsen und es gibt keine Möglichkeit, die Ellipse zu verkleinern. Normale Materie kann ihre Umlaufbahn durch Kollisionen schrumpfen, dunkle Materie jedoch nicht.

An diesem Punkt wissen wir viel mehr darüber, was dunkle Materie nicht ist, als was sie ist. Es interagiert nicht über die elektromagnetische Kraft, und eine Wechselwirkung über die starke Kraft ist ebenfalls unwahrscheinlich. Die Wechselwirkung über die schwache Kraft ist immer noch ein aktives Forschungsgebiet (siehe hier ).

Um zu verstehen, warum dunkle Materie keine Klumpen bildet, stellen Sie sich zwei Staubpartikel vor, die mit hoher Geschwindigkeit durch den Weltraum aufeinander zu sausen. Sie kommen dicht zusammen, vermeiden aber nur knapp einen Frontalzusammenstoß, bevor sie in verschiedene Richtungen davonlaufen. Als sie sehr nahe beieinander waren, war die Anziehungskraft zwischen den beiden Objekten für einen Moment am stärksten, aber die Partikel bewegten sich zu schnell, als dass die geringe Anziehungskraft sie zusammenhalten könnte.

Stellen Sie sich nun ein anderes Szenario vor, in dem die beiden Staubpartikel frontal zusammenstoßen (was durch die elektromagnetische Kraft geschieht). Jetzt, da die beiden Teilchen durch Wärme Energie verloren haben, kann die Gravitationskraft zwischen den Teilchen sie in einem Klumpen zusammenhalten. Bald kommt ein drittes Staubteilchen daher und kollidiert mit diesem Staubklumpen, verliert seine kinetische Energie und wird ebenfalls an den Klumpen gebunden. Während der Staubklumpen wächst, kollidieren immer mehr Partikel mit ihm und er wird immer größer und größer, bis er schließlich zu einem Planeten oder Stern wird.

Dunkle Materie stößt selten auf sich selbst (oder andere Materie), daher ist es fast immer eher wie im ersten Fall als im zweiten Fall. Millionen von Teilchen der Dunklen Materie passieren Sie gerade, ohne etwas zu treffen. Da es ihnen so schwer fällt, ihre kinetische Energie loszuwerden, neigen sie dazu, sich nicht zu Klumpen zusammenzuschließen.

Wenn Sie dunkle Materie als massive Teilchen betrachten, die kinetische Energie haben, aber nur gravitativ wechselwirken, dann gibt es eine einfache Möglichkeit, dies zu betrachten.

Wenn die Teilchen in einer Konfiguration beginnen, in der ihre Gesamtenergie (die Summe aus positiver kinetischer Energie und negativer Gravitationspotentialenergie) Null ist; dann stehen sie an der Schwelle zwischen gravitativ gebunden oder ungebunden.

Um die Dinge "klumpen" zu lassen, müssen Sie ihre Gesamtenergie negativ machen . Die einzige Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, dem System kinetische Energie zu entziehen.

Bei normaler Materie geschieht dies durch elektromagnetische Wechselwirkungen, die die kinetische Energie normaler Materie (Protonen, Elektronen etc.) in Photonen umwandeln, die dann aus dem System austreten. Da diese Arten von Wechselwirkungen für dunkle Materie (per Definition) nicht auftreten, gibt es keine Möglichkeit, kinetische Energie loszuwerden, und so bleibt die dunkle Materie als großer "Halo" um gewöhnliche Materie, die sich durch Gravitation verklumpt.

Dunkle Materie könnte Materie sein, die keine Protonen oder Neutronen hat, eher wie reine Energie als die Art von Materie, die uns vertraut ist ... ähnlich wie die "GEONs", die John Archibald Wheeler vor vielen Jahren spekulativ vorgeschlagen hat (siehe sein Buch Geons, Schwarze Löcher & Quantenschaum für Details).

Da es Energie enthält und Energie gravitativ der Masse entspricht, hat es Gravitationswechselwirkungen mit gewöhnlicher Materie, sodass es die zusätzliche Masse bereitstellt, die erforderlich ist, um zu verhindern, dass eine Galaxie bei ihrer Rotation auseinanderfliegt.

Aber weil es keine Protonen oder Neutronen enthält, kann es aus dem gleichen Grund nicht zusammenbrechen und Sterne bilden, noch kann es mit Photonen interagieren; Es könnte also sein, dass wir es nur durch seine Gravitationswechselwirkungen erkennen können.

Denn auf ihrem Weg zu diesem hypothetischen einzigen Punkt würden sie eine ganze Ladung normaler Materie passieren, die ihre Reise stören würde. Sie können die nicht-gravitativen Kräfte mehr oder weniger ganz aus der Gleichung herausnehmen und die gleiche Frage der normalen Materie stellen. Abgesehen davon geht die Theorie davon aus, dass (letztlich) alles zusammenfließen wird , und dunkle Materie wäre daran beteiligt. Es dauert nur eine Weile.