Pregúntele a Ethan No. 100: ¿Por qué la materia oscura no forma agujeros negros?
Si la materia oscura en el Universo es la mayor masa y tiene gravedad, ¿dónde están las estructuras que la componen?
Todas las empresas que comienzan con un celo desenfrenado, al principio pueden realizarse con gran fuerza, pero al final fracasan.
- Tácito
No puedo creer que ya se hayan publicado 100 números de "Ask Ethan". Cada semana envías tus preguntas, y elijo la que más me gusta para responderla públicamente. Esta semana ha tenido algunas preguntas bastante difíciles, pero no puedo decirle que no a una de ellas, de Jerry Mason:Si la materia oscura tiene gravedad, ¿por qué no forma agujeros negros u otras estructuras?La materia oscura (TM) realmente tiene gravedad, y realmente no forma agujeros negros (BHs), estrellas "oscuras", planetas o átomos. Por qué
Imagine el universo en las primeras etapas de desarrollo, antes de que aparecieran agujeros negros, estrellas, planetas y átomos. Este es un "mar" caliente, denso y en expansión de materia y radiación de todos los tipos permitidos. En el universo, de unos pocos minutos, ya hay núcleos atómicos y electrones, neutrinos y fotones, y toda la materia oscura.Todo esto no solo vuela a velocidades tremendas, sino que también interactúa entre sí. Todo esto está expuesto a la gravedad (incluso los fotones, gracias a la equivalencia de masa y energía de Einstein), pero la gravedad no es el único factor.
Los fotones y los electrones son lo peor de todo: muy a menudo interactúan debido al electromagnetismo, la dispersión y el "rebote" entre ellos, intercambiando energías y momentos.Los núcleos son solo un poco más ligeros: son más masivos, por lo tanto, interactúan con menos frecuencia y con cada colisión pierden o ganan menos impulso.El neutrino es afortunado: no tienen carga, no están sujetos a interacciones electromagnéticas. Están sujetos (excepto a la gravedad) a solo interacciones débiles, por lo que las colisiones son muy raras.Pero la materia oscura es generalmente buena: parece interactuar solo a través de la gravedad. No se producen colisiones, solo se siente atraído por otras fuentes de materia.Pero es posible que le preocupe que esto solo empeore la situación. En la materia ordinaria, se producen colisiones e interacciones que interfieren con el colapso gravitacional y la formación de bultos densos. Y la materia oscura en regiones más densas del espacio se acumulará en coágulos. Pero esto no sucede exactamente como te imaginas. Por ejemplo, ¿qué sucede cuando una nube de gas se derrumba y forma una estrella?
El gas, cuando se expone a la gravedad, se vuelve más denso, pero la sustancia en la que consiste se mantiene unida, lo que permite que el gas alcance un estado más denso. ¡Y juntos se mantiene solo por el electromagnetismo! Es por eso que la materia puede colapsar y crear objetos relacionados como estrellas, planetas y átomos.Y sin esto, solo obtendrá una estructura dispersa y "suelta" que solo la gravedad mantiene unida con la dificultad. Por lo tanto, uno puede escuchar un halo de TM, o hilos de TM a gran escala, pero no sobre otras estructuras que lo componen.
Estos escasos y sueltos halo son muy importantes: son las semillas de todas las estructuras conectadas del Universo. Estas son galaxias enanas, galaxias normales, grupos de galaxias, cúmulos, supercúmulos e hilos, así como todas las subestructuras de estos objetos. Pero sin una fuerza adicional, sin un efecto "pegado" que lo mantenga todo unido para el intercambio de energía e impulso, TM está condenada a permanecer en un estado tan flojo y enrarecido. Una sustancia ordinaria puede formar estructuras densas, pero la HM no puede colisionar inelásticamente, perder impulso y momento angular y, por lo tanto, se ve obligada a existir en forma de halo.
Es un poco incómodo pensar que los planetas, las estrellas, los agujeros negros y todo lo demás no se mantienen unidos debido a la gravedad, pero la gravedad es solo una parte de la ecuación. Imagina que lanzas una bola de átomos. ¿Qué le pasará a él?
Naturalmente, se moverá a lo largo de una parábola (si no se tiene en cuenta la resistencia del aire), se elevará a su altura máxima y caerá hasta que toque la Tierra. A gran escala, se moverá en una órbita elíptica, uno de cuyos focos será el centro de masa de la Tierra, pero como su superficie aparece en su camino, parte de su trayectoria parece una parábola.Pero si esta bola se convierte mágicamente en una pieza de TM, entonces el resultado te sorprenderá enormemente.
Sin fuerzas electromagnéticas, sucederán muchas cosas terribles:• Además de la gravedad, no hay otras interacciones entre las partículas de la bola y los átomos de la Tierra. En lugar de una parábola, la bola TM pasará a través de todas las capas de la Tierra, girará alrededor del centro en una elipse casi perfecta (pero no del todo ideal debido a la densidad desigual de la Tierra), saldrá al exterior cerca del punto de entrada a la superficie, describirá nuevamente la parábola y continuará volando sin cesar.• ¡El bulto mismo tampoco mantiene nada unido! Aunque los átomos de una bola ordinaria también se mueven aleatoriamente, se mantienen unidos por interacción electromagnética, como resultado de lo cual la bola conserva su forma. Cuando se elimina esta interacción, los movimientos aleatorios de las partículas TM rasgarán este bulto, ya que la gravedad por sí sola no es suficiente para retenerlo.• Como resultado, con el tiempo, el TM se estirará en una elipse, que gradualmente se enrarecerá, como fragmentos de un cometa (¡pero será aún más enrarecido)!
TM no puede formar agujeros negros y otros objetos densos, ya que la gravedad por sí sola no es suficiente para unir estos objetos. Dado que la gravedad es muy débil, puede unir partículas muy débilmente, lo que conduce a la aparición de estructuras masivas grandes y dispersas. Para obtener un bulto apretado de algo, en forma de estrella, planeta, átomo, necesita una interacción más fuerte que la gravedad.Y es muy posible que la TM interactúe consigo misma (o con la materia y la radiación en algún nivel), pero si es así, podemos decir cuán débil es esta interacción. Es muy, muy débil, si no cero en absoluto.
Y aunque imaginamos que a gran escala solo la gravedad importa, de hecho, las estructuras visibles (las que brillan, las que contienen moléculas y átomos, que colapsan en agujeros negros) permiten otras interacciones. TM, desafortunadamente, no puede formar tales estructuras, porque la gravedad por sí sola no es suficiente para esto.¡Sobre esto, la edición número 100 de "Ask Ethan" ha terminado!Source: https://habr.com/ru/post/es398661/
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