Если темная материя взаимодействует только с гравитацией, почему она вся не слипается в одной точке?

Я полный мирянин. Насколько я понимаю, темная материя теоретически взаимодействует только с силой гравитации и не взаимодействует с тремя другими фундаментальными силами: слабым ядерным взаимодействием, сильным ядерным взаимодействием и электромагнетизмом.

Это мое понимание. Если я ошибаюсь, пожалуйста, поправьте меня. Я погуглил и не нашел ничего, подтверждающего или опровергающего, что на темную материю влияет какое-либо из фундаментальных ядерных взаимодействий.

Итак, поскольку темная материя взаимодействует только с гравитацией, что заставляет одну частицу темной материи отталкиваться от другой? Если они могут свободно проходить друг через друга и гравитационно притягиваются друг к другу, то почему такие частицы не собираются вместе в одной «точке» в пространстве?

Мне кажется, что частицы, занимающие единое «пространство», с философской точки зрения не являются отдельными частицами, но я не знаю, как на это повлияла бы реальная физика.

Редактировать В этой статье , полномочия автора неизвестны, но неявно утверждает, что он физик или астроном, говорится: «... [физики] обычно считают, что вся темная материя состоит из частиц одного типа, которые по существу взаимодействуют только через гравитацию».

Редактировать 2 Автором является Лиза Рэндалл , «профессор естественных наук физического факультета Гарвардского университета».

Подумайте о том, что вы имеете в виду, когда говорите «сгусток»...
@dmckee Я не очень хорошо разбираюсь в физике, но я полагаю, вы спрашиваете меня, имею ли я в виду атомы и молекулы, когда говорю «сгусток», который, как я понимаю, вызван сильным ядерным взаимодействием. Но под «комком» я подразумеваю нахождение на тесной гравитационной орбите друг друга. И логически расширяя, если они проходят друг через друга, могут ли их орбиты быть настолько тесными, что они занимают одно и то же пространство, как сингулярность? Если это не то, о чем вы меня спрашиваете, я мог бы использовать некоторую экспозицию :)
Вы могли бы задать тот же вопрос о «нормальной» материи: почему она не «слипается» воедино? Кроме того, вы утверждаете, что DM не взаимодействует с тремя другими фундаментальными силами, но действительно ли мы знаем об этом, учитывая, как мало мы знаем о DM?
@ Герт Я не понимаю этого полностью, но я считаю (конечно, с поправкой), что он слипается так, как он это делает, в атомы и молекулы из-за сильной ядерной силы и электромагнетизма соответственно. Что касается того, как мало мы знаем, я не знаю, почему прямо не указано, что «мы не знаем, что темная материя взаимодействует с фундаментальными ядерными силами», а не «взаимодействует только с гравитацией». Как раз в этом и заключается мой вопрос.
В очень больших масштабах темная материя «слипается», причем размер этих комков определяется температурой темной материи. В конце концов, когда Вселенная станет очень холодной, эти комки станут намного меньше, чем сейчас, но это займет очень много времени.
@CuriousOne Так что же заставляет темную материю [d/s] отделяться в первую очередь? Являются ли частицы отдельными от того, что было выброшено Большим взрывом, или притяжение барионной материи удерживает их от образования более крупных сгустков?
Возможный дубликат: physics.stackexchange.com/q/46634/2451 и ссылки в нем.
Однородность ранней Вселенной. Насколько мы можем судить, основываясь на измерениях космического микроволнового фона, все «вещество», включая темную материю, было довольно равномерно распределено, когда Вселенная «зародилась». С тех пор Вселенная приходит к тепловому равновесию, которое для гравитирующих объектов предполагает агломерацию. С другой стороны, темная материя, вероятно, нестабильна, поэтому она будет распадаться по мере того, как слипается, и это снова гомогенизирует вселенную, но на этот раз в очень холодное, равномерно распределенное состояние фотонов.
Когда я спросил о слове «сгусток», я надеялся, что вы представите два маленьких объекта, летящих навстречу друг другу и сталкивающихся. Тогда вы должны спросить, разлетаются ли они снова или они прилипают? И чтобы ответить на это, надо спросить о том, какие силы ответственны за их залипание. Но если DM не взаимодействует, то нет никакой силы вызывать залипание . Имейте в виду, что предпочтительным экспериментальным кандидатом является WIMP-подобная реклама, поэтому она участвует в слабом взаимодействии , но это предпочтение, а не факт.
@dmckee Как я пытался указать ранее, я полный нуб в физике, и я действительно не знаю, почему два маленьких объекта слипаются. Я думал, что то, что удерживало их от коллапса в сингулярность, было сильным и слабым ядерным взаимодействием. Но что касается темной материи, я представлял себе солнечные системы, галактики, звезды и черные дыры, которые, как я понимаю, «слипаются» вместе из-за гравитации (частицы движутся по орбите друг вокруг друга, а не сталкиваются друг с другом).
@dmckee, поэтому, когда гравитация достаточно сильна, чтобы сокрушить другие силы, влияющие на барионную материю, материя схлопывается в черную дыру. Поскольку (в некоторых теориях) на DM влияет только гравитация, я не понял, что удерживает его от коллапса в черную дыру.
«Поэтому, когда гравитация достаточно сильна, чтобы сокрушить другие силы, влияющие на барионную материю, материя коллапсирует в черную дыру». Вы пытаетесь двигаться вперед слишком далеко и слишком быстро. Сначала выясните, почему обычная материя превращается из облаков газа и пыли в совершенно обычные объекты, такие как звезды и планеты. Не думайте, что черные дыры обладают особыми свойствами или требуют особых процессов, потому что они начинались как вполне обычные скопления материи. Затем вы можете спросить, что заставляет темную материю вести себя иначе, чем то, к чему вы привыкли.
@dmckee Я всегда думал, что это гравитация, но, видимо, мне есть чему поучиться :)
Связанный/дубликат: physics.stackexchange.com/q/174977
Я не знаю, добавляет ли это что-нибудь, но en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter_halo предполагает, что это ДЕЙСТВИТЕЛЬНО слипается. Только он «влияет на крупномасштабную структуру Вселенной» (из: en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter ). Таким образом, большие расстояния, на которых он слипается, создают впечатление, что это не так.

Ответы (6)

Отличный вопрос. Наблюдения показывают, что Темная Материя (ТМ) только заметно взаимодействует гравитационно, хотя возможно, что она может взаимодействовать и другими способами «слабо» (например, в модели «WIMP» --- связно) . Все последующее не зависит от того, взаимодействует ли DM чисто/только гравитационно или только преимущественно гравитационно --- поэтому для удобства я буду рассматривать это как первый случай.

Наблюдаемая материя во Вселенной чрезвычайно « слипается »: в газовых облаках, звездах, планетах, дисках, галактиках и т. д. Это происходит из -за электромагнитных (ЭМ) взаимодействий, способных рассеивать энергию. Если вы катите мяч по плоской поверхности, он замедлится и, в конце концов, остановится (фактически «прилипнет» к земле), потому что диссипативные силы (трение) способны передавать его кинетическую энергию.

С другой стороны, представьте, что вы просверливаете идеальное отверстие прямо через центр Земли и опускаете в него мяч. ( Предполагая, что дыра и земля совершенно симметричны... ) мяч будет просто постоянно колебаться взад и вперед с одной стороны земли на другую --- из-за сохранения энергии. Так же, как маятник без трения (без трения, без сопротивления воздуха). Вот как темная материя взаимодействует, чисто гравитационно. Даже если через центр Земли не было дыры, DM просто пройдет прямо через нее и продолжит колебаться вперед и назад, всегда достигая одной и той же начальной высоты. В нулевом порядке темная материя может «слипаться» только настолько, насколько позволяет ее первоначальная энергия ( полученная вскоре после Большого взрыва ). Одним из примеров такого «сгустка» является«Гало темной материи», в которое встроены галактики. DM Halo (эффективно) всегда больше, чем нормальная (барионная) материя внутри них --- потому что нормальная материя способна рассеивать энергию и коллапсировать дальше.

«Предполагая, что отверстие и Земля совершенно симметричны ...» - также предполагается, что Земля не вращается (или отверстие было просверлено точно на одной оси с ее осью вращения).
@JanDvorak и что луны и солнца не существует, и .. и :)
@JanDvorak ... и мы можем предположить, что мяч на самом деле ведет себя как настоящая сферическая корова для целей анализа. Таким образом, эксперимент можно будет воспроизвести позже на уроках физики для старшекурсников. Большинство курсов по физике для старшекурсников имеют ограниченный доступ к шарам, но доступ к почти неограниченному количеству сферических коров.
Значит, темная материя не взаимодействует, а значит, не может слиться сама с собой? А черная дыра? Если темная материя войдет в горизонт событий, сможет ли она пройти сквозь него? Какой тип массы добавляется к черной дыре?
@Paul, DM действительно взаимодействует гравитационно , поэтому он должен взаимодействовать с черными дырами, как и любые другие вещи .
Так как без трения (или другого взаимодействия) частицы Темной Материи описывают идеальную систему из N тел с точечными массами.
Я не думаю, что этот ответ правильный. Если предположить, что темная материя — это частица, то она взаимодействует с наблюдаемой Вселенной только посредством гравитации. Однако сами частицы темной материи взаимодействуют посредством некоторого слабого неопределенного взаимодействия.
@ratchetfreak точно! Это одна из причин, почему симуляции только темной материи, такие как «Миллениум», могут иметь такие большие объемы и высокое разрешение — симуляции N-тел намного проще и легче, чем включение газа (и т. д.).
Однако к темной материи можно применить процесс, называемый «динамическим трением». Это может, например, перетащить субореолы в центр основных ореолов.
@MaxW Слабое взаимодействие называется «слабым» по какой-то причине — оно намного слабее электромагнитного взаимодействия и действует в более коротком диапазоне . Это означает, что вимпам намного, намного, НАМНОГО сложнее, чем обычной материи, эффективно сталкиваться друг с другом и терять кинетическую энергию. Не то, чтобы этого не происходит совсем, но этого недостаточно.
+1 Кстати, за примечание в конце об относительных размерах гало DM и их аналогов из барионной материи - я слышал это объяснение раньше, но не его логическое продолжение.
@CortAmmon Когда ты закончишь со своей сферической коровой, я приготовлю себе немного ... молотого. Луки
Гравитационное взаимодействие с обычной материей не заставило бы темную материю очень медленно терять энергию и в конце концов коллапсировать? Приливная блокировка двух объектов является примером этого, но с обычной материей. Нечто подобное может произойти с темной материей, когда она взаимодействует с обычной материей.
@ user171780 приливная блокировка происходит только из-за электромагнитных взаимодействий внутри каждого тела. Например, приливы и т. д. точечные массы, которые взаимодействуют только гравитационно, не могут таким образом терять энергию. Что бы это вообще значило? Как это произойдет?

Поскольку темная материя мало взаимодействует, нет механизма, который мог бы ее быстро замедлить. Когда частица темной материи падает к какому-то гравитационному центру, она ускоряется, затем пролетает через перицентр и продолжает свое движение вдаль. Обычная материя слипается в планеты, потому что замедляется взаимодействиями/столкновениями. Темная материя не сталкивается и не может выделять энергию. Он остается на эллиптических орбитах с очень большими осями, и нет никакого способа уменьшить эллипс. Нормальная материя может сократить свой орбитальный путь за счет столкновений, но не темная материя.

Как тогда наша галактика держится вместе? Разве для этого не требуется сгущение темной материи к центру галактики?
@PeterMortensen Как раз наоборот - он действительно не может сильно слипаться. Представьте себе, что частица темной материи случайно попадает в нашу галактику — что происходит? Почти то же самое, что происходит с любой блуждающей звездой: если повезет, она может вылететь даже быстрее, чем вошла, может найти хорошую эллиптическую орбиту в галактике... Чтобы она сгустилась в центре, вы потребуется ряд довольно специфических взаимодействий с окружающей материей (темной или нет) — и в каждом из них одно тело ускоряется, а другое замедляется; в среднем импульс и энергия сохраняются.
@PeterMortensen С другой стороны, при электромагнитных взаимодействиях во Вселенной преобладает потеря энергии - многие электромагнитные взаимодействия включают выброс фотонов из галактики, унося с собой энергию. Например, звездные системы формируются из газовых облаков таким образом — электромагнитные столкновения заставляют их частицы со временем терять энергию в виде света. В галактике в целом почти полностью доминирует гравитация — вот почему нормальная материя ведет себя почти так же, как темная материя в галактических масштабах. Но столкновения, сверхновые звезды, солнечный ветер... все это почти исключительно электромагнитные взаимодействия.
@PeterMortensen Конечно, небольшое количество энергии излучается и при гравитационных взаимодействиях, но опять же, поскольку гравитация настолько невероятно слаба, это действительно заметно только в таких ситуациях, как две нейтронные звезды, вращающиеся очень близко друг к другу. Это должно привести к некоторому сгущению, но я не могу точно оценить это. Этого вполне может быть достаточно для ожидаемого нами теоретически спада (простая зависимость r-квадрата). Но на самом деле мы мало что знаем — например, если есть галактическое гало DM, это может объяснить часть «недостающей» энергии. Наблюдать за ДМ тяжело :D

На данный момент мы знаем гораздо больше о том, чем темная материя не является, чем о том, чем она является. Он не взаимодействует через электромагнитную силу, и взаимодействие через сильное взаимодействие также маловероятно. Взаимодействие посредством слабого взаимодействия по-прежнему является активной областью исследований (см. здесь ).

Чтобы понять, почему темная материя не образует сгустков, представьте себе две частицы пыли, несущиеся в космосе на высокой скорости навстречу друг другу. Они сближаются, но едва избегают лобового столкновения, прежде чем разъехаться в разные стороны. На мгновение, когда они были очень близко друг к другу, гравитационное притяжение между двумя объектами было самым сильным, но частицы двигались слишком быстро, чтобы небольшое гравитационное притяжение могло удержать их вместе.

Теперь представьте себе другой сценарий, когда две частицы пыли сталкиваются лоб в лоб (что происходит благодаря электромагнитной силе). Теперь, когда две частицы потеряли энергию из-за тепла, гравитационное притяжение между частицами может удерживать их вместе в комке. Вскоре появляется третья частица пыли, которая сталкивается с этим комком пыли, теряет свою кинетическую энергию и также привязывается к комку. По мере того, как комок пыли растет, с ним сталкивается все больше частиц, и он продолжает расти все больше и больше, в конечном итоге превращаясь в планету или звезду.

Темная материя редко сталкивается сама с собой (или с другой материей), поэтому почти всегда это похоже на первый случай, а не на второй. Миллионы частиц темной материи проходят через вас прямо сейчас, ни с чем не сталкиваясь. Поскольку им так трудно избавиться от своей кинетической энергии, они, как правило, не собираются в комки.

Когда вы говорите, что «темная материя редко сталкивается с самой собой (или с другой материей)», вы имеете в виду, что она редко проходит через другую частицу?
Не могли бы вы сослаться на источник "миллионов частиц темной материи ПРОХОДЯТ через вас..." - просто любопытно.
@user151841 user151841 Темная материя постоянно проходит через обычную материю, но редко сталкивается с ней.
@Mindwin См. параграф 2 под заголовком 1: космология.berkeley.edu /preprints/cdms/9809009.pdf
Что означает «столкновение» с точки зрения темной материи?
@user151841 user151841 Обмен импульсом с другой частицей посредством слабого ядерного взаимодействия

Если вы считаете, что темная материя имеет форму массивных частиц, которые обладают кинетической энергией, но взаимодействуют только гравитационно, то есть простой способ взглянуть на это.

Если частицы начинают с конфигурации, в которой их полная энергия (сумма положительной кинетической энергии и отрицательной гравитационной потенциальной энергии) равна нулю; тогда они находятся на пороге между гравитационно связанными и несвязанными.

Чтобы вещи «слипались», вам нужно сделать их общую энергию отрицательной . Единственный способ сделать это — удалить кинетическую энергию из системы.

В обычном веществе это осуществляется за счет электромагнитных взаимодействий, которые превращают кинетическую энергию обычного вещества (протонов, электронов и т. д.) в фотоны, которые затем покидают систему. Поскольку такого рода взаимодействия не происходят для темной материи (по определению), то нет способа избавиться от кинетической энергии, и поэтому темная материя остается большим «ореолом» вокруг гравитационно слипающейся обычной материи.

Темная материя может быть материей, в которой нет протонов или нейтронов, больше похожей на чистую энергию, чем на привычную нам материю... что-то вроде «ГЕОНов», которые спекулятивно предложил Джон Арчибальд Уилер много лет назад (см. подробности в книге « Геоны, черные дыры и квантовая пена» ).

Поскольку она содержит энергию и поскольку энергия гравитационно эквивалентна массе, она вступает в гравитационное взаимодействие с обычной материей, поэтому обеспечивает дополнительную массу, необходимую для предотвращения разлета галактики при ее вращении.

Но поскольку он не содержит протонов или нейтронов, он не может коллапсировать и образовывать звезды, а также не может взаимодействовать с фотонами по той же причине; так что, возможно, единственный способ, которым мы можем обнаружить его, — это его гравитационные взаимодействия.

Это кажется скорее умозрительным ответом, чем что-либо еще; были проведены некоторые исследования темной материи, и это то, о чем задается вопрос. Хотя это интересный ответ, постарайтесь придерживаться известных фактов, а не личных теорий.
HI: Я здесь новенький и не уверен, что это подходящее место для такого рода вопросов... Я хотел бы написать Хизер в частном порядке и не знаю, как это сделать... может кто-нибудь объяснить, как ?
Нет системы личных сообщений. Вы можете помечать @-тегами людей, которые взаимодействовали с сообщениями (комментировали или редактировали) в комментариях к сообщениям, с которыми они взаимодействовали, но это происходит публично.
@heather Привет, Хизер: мой ответ не является личной теорией, а основан на работе джентльмена, который учился в Корнелле у Бете + Моррисона + Фейнмана и получил там докторскую степень в 1953 году ... Однако, зная, что его объяснение темная материя является «нестандартной», я боюсь, что если я опубликую какие-либо подробности, это приведет к тому, что другие пользователи сайта «испортят» мою репутацию ... есть ли способ обсудить нестандартную теорию или модель или идея без "покраснения" ??
@PERFESSERCREK-WATER, я думаю, что если вы скажете то, что только что сказали мне, никто не будет «звенеть» вашей репутацией .... однако я думаю, что ОП хотел получить конкретный ответ, и вы на самом деле не дали его, как это кажется, что это теория, которая очень неизвестна (согласно вашему комментарию) и не является основным объяснением темной материи.
@heather, вы сказали: «Кажется, это теория, которая очень неизвестна (согласно вашему комментарию) и не является общепринятым объяснением темной материи. иду туда сейчас, чтобы увидеть, оставил ли кто-нибудь там какие-либо сообщения !!

Потому что на пути к этой гипотетической единственной точке они пройдут целую кучу обычной материи, которая помешает их путешествию. Вы можете более или менее полностью исключить негравитационные силы из уравнения и задать тот же вопрос об обычной материи. При этом теория гласит, что (в конечном итоге) все в конечном итоге сольется, и темная материя будет участвовать в этом. Это займет некоторое время.

Если темная материя взаимодействует только с гравитацией, почему она вся не слипается в одной точке?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v