🕧 👖 💇🏾 Demandez à Ethan n ° 100: pourquoi la matière noire ne forme-t-elle pas des trous noirs? 🚜 🤢 🧘🏽

Si la matière noire dans l'Univers est la plus massive et qu'elle a de la gravité, où sont les structures qui la composent?

Toutes les entreprises qui démarrent avec un zèle effréné peuvent au début être réalisées avec beaucoup de force, mais finalement elles échouent.
- Tacite

Je ne peux pas croire que 100 numéros de «Ask Ethan» ont déjà été publiés. Chaque semaine, vous envoyez vos questions et je choisis celle que je préfère pour y répondre publiquement. Cette semaine a eu quelques questions assez difficiles, mais je ne peux pas dire non à l'un d'eux, de Jerry Mason:

Si la matière noire a de la gravité, pourquoi ne forme-t-elle pas des trous noirs ou d'autres structures?

La matière noire (TM) a vraiment de la gravité, et elle ne forme vraiment pas de trous noirs (BH), d'étoiles "sombres", de planètes ou d'atomes. Pourquoi

Imaginez l'Univers aux tout premiers stades de développement, avant l'apparition des trous noirs, des étoiles, des planètes et des atomes. Il s'agit d'une «mer» chaude, dense et en expansion de matière et de rayonnement de tous les types autorisés. Dans l'univers, vieux de quelques minutes, il y a déjà des noyaux et des électrons atomiques, des neutrinos et des photons, et toute la matière noire.

Tout cela non seulement vole à des vitesses énormes, mais interagit également les uns avec les autres. Tout cela est exposé à la gravité (même aux photons, grâce à l'équivalence de masse et d'énergie d'Einstein), mais la gravité n'est pas le seul facteur.

Les photons et les électrons sont les pires de tous: ils interagissent très souvent en raison de l'électromagnétisme, se dispersent et «rebondissent» les uns sur les autres, échangeant des énergies et des impulsions.

Les noyaux ne sont qu'un peu plus légers: ils sont plus massifs, ils interagissent donc moins fréquemment et à chaque collision, ils perdent ou gagnent moins en élan.

Le neutrino a de la chance: ils sont gratuits, ils ne sont pas soumis aux interactions électromagnétiques. Ils ne sont soumis (sauf à la gravité) qu'à de faibles interactions, les collisions sont donc très rares.

Mais la matière noire est généralement bonne: elle ne semble interagir que par gravité. Aucune collision ne se produit, elle n'est attirée que par d'autres sources de matière.

Mais vous craignez peut-être que cela ne fasse qu'aggraver la situation. Dans la matière ordinaire, des collisions et des interactions se produisent qui interfèrent avec l'effondrement gravitationnel et la formation de grumeaux denses. Et la matière noire dans les régions plus denses de l'espace s'accumulera en caillots. Mais cela ne se produit pas exactement comme vous l'imaginez. Par exemple, que se passe-t-il lorsqu'un nuage de gaz s'effondre et forme une étoile?

Le gaz, lorsqu'il est exposé à la gravité, devient plus dense, mais la substance qui le compose est maintenue ensemble, ce qui permet au gaz d'atteindre un état plus dense. Et ensemble, elle ne tient qu'à cause de l'électromagnétisme! C'est pourquoi la matière peut s'effondrer et créer des objets connexes comme les étoiles, les planètes et les atomes.

Et sans cela, vous obtiendrez seulement une structure dispersée et «lâche» que seule la gravité maintient avec difficulté. Par conséquent, on peut entendre un halo de TM, ou des fils de TM à grande échelle, mais pas à propos d'autres structures qui le composent.

Ces halos lâches et clairsemés sont très importants - ils sont les germes de toutes les structures connectées de l'Univers. Ce sont des galaxies naines, des galaxies normales, des groupes de galaxies, des amas, des superamas et des fils, ainsi que toutes les sous-structures de ces objets. Mais sans force supplémentaire, sans effet de «collage» qui maintient le tout ensemble pour l'échange d'énergie et d'élan, TM est condamné à rester dans un état aussi lâche et raréfié. Une substance ordinaire peut former des structures denses, mais HM ne peut pas entrer en collision de manière inélastique, perdre son élan et son élan angulaire et, par conséquent, est forcée d'exister sous la forme d'un halo.

Il est un peu gênant de penser que les planètes, les étoiles, les trous noirs et tout le reste ne sont pas liés à cause de la gravité - mais la gravité n'est qu'une partie de l'équation. Imaginez que vous ayez lancé une boule d'atomes. Que va-t-il lui arriver?

Naturellement, il se déplacera le long d'une parabole (si la résistance à l'air n'est pas prise en compte), s'élèvera à sa hauteur maximale et tombera jusqu'à ce qu'il touche la Terre. À grande échelle, il se déplacera sur une orbite elliptique, dont l'un des foyers sera le centre de masse de la Terre, mais comme sa surface apparaît sur son chemin, une partie de sa trajectoire ressemble à une parabole.

Mais si cette balle se transforme comme par magie en un morceau de MT, le résultat vous surprendra grandement.

Sans forces électromagnétiques, de nombreuses choses terribles se produiront:
• En plus de la gravité, il n'y a pas d'autres interactions entre les particules de la balle et les atomes de la Terre. Au lieu d'une parabole, la balle TM traversera toutes les couches de la Terre, fera le tour du centre dans une ellipse presque parfaite (mais pas tout à fait idéale en raison de la densité inégale de la Terre), sortira près du point d'entrée à la surface, décrira à nouveau la parabole et continuera à voler sans fin.
• Le morceau lui-même ne tient également rien ensemble! Bien que les atomes d'une balle ordinaire se déplacent également de manière aléatoire, ils sont maintenus ensemble par une interaction électromagnétique, grâce à laquelle la balle conserve sa forme. Lorsque cette interaction est supprimée, des mouvements aléatoires de particules TM déchireront cette masse, car la gravité seule ne suffit pas à la retenir.
• En conséquence, au fil du temps, le TM va s'étirer en une ellipse, qui se raréfiera progressivement, comme des fragments de comète (mais elle sera encore plus raréfiée)!

La MT ne peut pas former de trous noirs et d'autres objets denses, car la gravité seule ne suffit pas à lier ces objets. Étant donné que la gravité est très faible, elle peut très faiblement lier les particules, ce qui entraîne l'apparition de grandes structures massives clairsemées. Pour obtenir un morceau serré de quelque chose - sous la forme d'une étoile, d'une planète, d'un atome - vous avez besoin d'une interaction plus forte que la gravité.

Et il est tout à fait possible que la MT interagisse avec elle-même (ou avec la matière et le rayonnement à un certain niveau), mais si c'est le cas, nous pouvons dire à quel point cette interaction est faible. Il est très, très faible, voire nul du tout.

Et bien que nous imaginions qu'à grande échelle seule la gravité importe, en fait, les structures visibles - celles qui brillent, celles qui contiennent des molécules et des atomes, qui s'effondrent dans des trous noirs - permettent d'autres interactions. La MT, malheureusement, ne peut pas former de telles structures, car la gravité seule ne suffit pas pour cela.

À ce sujet, la 100e édition de «Ask Ethan» est terminée!

Demandez à Ethan n ° 100: pourquoi la matière noire ne forme-t-elle pas des trous noirs?

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