Обладает ли темная материя той же силой гравитации, что и обычная материя?

Мы предполагаем, что гравитация связана с тензором энергии-импульса , т.е. уравнение Эйнштейна связывает кривизну с тензором-энергии-импульса. В космологии единственными важными членами тензора энергии-импульса являются диагональные члены$T_{00}$,$T_{11}$,$T_{22}$и$T_{33}$. $T_{00}$термин представляет собой плотность энергии, т.е. сколько вещества находится в единице объема - обратите внимание, что масса и энергия рассматриваются как связанные знаменитым уравнением Эйнштейна.$E=mc^2$. Остальные три термина,$T_{11}$к$T_{33}$, давление.

Материя имеет ненулевую (и положительную) плотность и незначительное давление, поэтому она только способствует$T_{00}$. Темная энергия тоже имеет ненулевую (и положительную) плотность, но вдобавок у нее отрицательное давление. Таким образом, темная энергия вносит свой вклад во все четыре диагональных члена.

То, как материал влияет на тензор энергии стресса, диктует, как мы его описываем. Так, например, динамика скоплений и кривые вращения галактик говорят о наличии чего-то, что способствует только$T_{00}$. Поэтому мы называем это чем-то материей . Темная материя — это просто материя, определенная таким образом, которую мы не можем видеть. Измерения скорости расширения Вселенной говорят нам о наличии чего-то с положительной плотностью энергии, способствующей$T_{00}$отрицательное давление, способствующее$T_{11}$к$T_{33}$, и мы называем это темной энергией .

Так что ваш вопрос некорректен. Мы определяем темную материю как материю , потому что она вносит свой вклад в тензор энергии-импульса точно так же, как и повседневная материя вокруг нас. Таким образом, она связана с гравитацией точно так же, как и обычная материя, потому что именно так она определена.

Если бы у нас был какой-то альтернативный способ измерения темной материи, не основанный на измерении ее гравитации, было бы интересно сравнить эти два измерения. Но прямо сейчас гравитация — единственный способ измерить плотность темной материи.

Ответ заключается в том, что мы не знаем. Это рабочее допущение, что да, и именно это допущение приводит к оценке общей массы и того, как эта масса распределяется — по существу, путем применения уравнения Пуассона для гравитации.

Если бы темная материя по какой-то причине не связывалась гравитационно так же, как нормальная материя, то она могла бы распределяться по-другому и было бы непонятно, что вы на самом деле подразумеваете под массой темной материи, поскольку в данном случае мы имеем в виду гравитационную массу.

Конечно, предполагалось, что темная материя и темная энергия могут соединяться негравитационным образом (например, Кояма и др., 2009 г. , Мургия и др., 2016 г. и многие другие). Это может заставить темную материю вести себя иначе, чем барионную материю — например, гравитационное ускорение может не зависеть от массы темной материи, и это может слегка изменить относительные свойства кластеризации темной и барионной материи.

Кривая вращения существует из-за присутствия темной материи и барионной материи. И мы можем оценить его, используя орбитальную скорость Солнца и его расстояние от центра Галактики. Тот факт, что мы можем это сделать, демонстрирует, что мы можем оценить взаимодействие, создаваемое Темной Материей. Именно так изначально предполагалось его существование. Мы знали, что взаимодействие существует, и не могли найти достаточно «обычной» материи, чтобы объяснить гравитационную «силу».

Моя точка зрения на постоянную скорость звезд, вращающихся вокруг центра галактики, такова: плотность звезд такова, что шар (с тем же центром, что и у галактики) с радиусом$r$должна содержать массу, прямо пропорциональную$r$. Пока масса снаружи шара распределена достаточно равномерно, гравитационные эффекты массы внешних объектов компенсируются. (Представьте, что вы находитесь внутри полого сферического объекта с одинаковой плотностью, легко увидеть, что гравитационное воздействие этого полого объекта на вас компенсируется).

Такое распределение вызовет гравитационное ускорение в точке внутри галактики с радиальным расстоянием$r$быть обратно пропорциональным$r$потому что это прямо пропорционально$m\over r^2$с$m$(масса внутри шара с радиусом$r$) прямо пропорциональна$r$. Центростремительное ускорение обратно пропорционально$r$, конечно, означает постоянную скорость.

Хорошо, галактика может оказаться очень яркой, если в ней будет достаточно звезд, но это не обязательно так. Нам просто нужно несколько черных дыр, разбросанных там, чтобы обеспечить достаточную массу, вращающуюся вокруг центра, как сияющие звезды, их планеты и что-то еще, пока масса внутри шара прямо пропорциональна его радиусу.

Так что нет необходимости в темной энергии для объяснения этих скоростей, достаточно простого распределения массы. Однако, что касается яркости, я понятия не имею, какая часть массы должна содержаться в черных дырах.