Pergunte a Ethan No. 100: Por que a matéria escura não forma buracos negros?
Se a matéria escura no Universo é a maior massa e tem gravidade, onde estão as estruturas?
Todas as empresas que começam com zelo desenfreado, a princípio podem ser realizadas com grande força, mas no final elas fracassam.
- Tácito
Não acredito que 100 edições do "Ask Ethan" já foram lançadas. Toda semana você envia suas perguntas e eu escolho a que mais gosto para responder publicamente. Esta semana teve algumas perguntas bastante difíceis, mas não posso dizer não a uma delas, de Jerry Mason:Se a matéria escura tem gravidade, por que não forma buracos negros ou outras estruturas?A matéria escura (TM) realmente tem gravidade e realmente não forma buracos negros (BHs), estrelas "escuras", planetas ou átomos. Porque assim?
Imagine o Universo nos estágios iniciais do desenvolvimento, antes que buracos negros, estrelas, planetas e átomos aparecessem. Este é um "mar" quente, denso e em expansão de matéria e radiação de todos os tipos permitidos. No universo, com alguns minutos de idade, já existem núcleos e elétrons atômicos, neutrinos e fótons e toda a matéria escura.Tudo isso não apenas voa em velocidades tremendas, mas também interage entre si. Tudo isso é exposto à gravidade (até mesmo fótons, graças à equivalência de Einstein em massa e energia), mas a gravidade não é o único fator.
Fótons e elétrons são os piores de todos: eles frequentemente interagem devido ao eletromagnetismo, dispersão e “ressalto” um do outro, trocando energias e momentos.Os núcleos são um pouco mais leves: são mais massivos, portanto, interagem com menos frequência e, a cada colisão, perdem ou ganham menos impulso.O neutrino tem sorte: eles não têm carga, não estão sujeitos a interações eletromagnéticas. Eles estão sujeitos (exceto à gravidade) a apenas interações fracas, portanto colisões são muito raras.Mas a matéria escura é geralmente boa: parece interagir apenas através da gravidade. Nenhuma colisão ocorre, ela é atraída apenas por outras fontes de matéria.Mas você pode estar preocupado com o fato de isso piorar a situação. Na matéria comum, ocorrem colisões e interações que interferem no colapso gravitacional e na formação de pedaços densos. E a matéria escura nas regiões mais densas do espaço se acumulará em coágulos. Mas isso não acontece exatamente como você imagina. Por exemplo, o que acontece quando uma nuvem de gás entra em colapso e forma uma estrela?
O gás, quando exposto à gravidade, se torna mais denso, mas a substância em que consiste é mantida unida, o que permite que o gás atinja um estado mais denso. E juntos ela mantém apenas por causa do eletromagnetismo! É por isso que a matéria pode entrar em colapso e criar objetos relacionados, como estrelas, planetas e átomos.E sem isso, você obterá apenas uma estrutura dispersa e “frouxa” que apenas a gravidade mantém unida com dificuldade. Portanto, pode-se ouvir um halo da TM, ou fios da TM em larga escala, mas não sobre outras estruturas que a compõem.
Esses halos esparsos são muito importantes - eles são as sementes de todas as estruturas conectadas do Universo. São galáxias anãs, galáxias normais, grupos de galáxias, aglomerados, superaglomerados e fios, além de todas as subestruturas desses objetos. Mas sem força adicional, sem um efeito de "união" que mantém tudo unido para a troca de energia e momento, a MT está fadada a permanecer em um estado tão frouxo e rarefeito. Uma substância comum pode formar estruturas densas, mas a HM não pode colidir inelasticamente, perder momento e momento angular e, portanto, é forçada a existir na forma de um halo.
É um pouco estranho pensar que planetas, estrelas, buracos negros e tudo o mais não são mantidos juntos por causa da gravidade - mas a gravidade é apenas parte da equação. Imagine que você lançou uma bola de átomos. O que vai acontecer com ele?
Naturalmente, ele se moverá ao longo de uma parábola (se a resistência do ar não for levada em consideração), atingirá sua altura máxima e cairá até atingir a Terra. Em grande escala, ele se moverá em uma órbita elíptica, um dos focos será o centro de massa da Terra, mas, como sua superfície aparece em seu caminho, parte de sua trajetória parece uma parábola.Mas se essa bola se transformar magicamente em um pedaço de MT, o resultado o surpreenderá bastante.
Sem forças eletromagnéticas, muitas coisas terríveis acontecerão:• Além da gravidade, não há outras interações entre as partículas da bola e os átomos da Terra. Em vez de uma parábola, a bola TM passará por todas as camadas da Terra, contornará o centro em uma elipse quase perfeita (mas não é ideal devido à densidade desigual da Terra), sairá perto do ponto de entrada na superfície, descreverá novamente a parábola e continuará a voar sem parar.• O próprio caroço também não mantém nada unido! Embora os átomos de uma bola comum também se movam aleatoriamente, eles são mantidos juntos por interação eletromagnética, como resultado da qual a bola mantém sua forma. Quando essa interação é removida, movimentos aleatórios das partículas da MT rasgam esse pedaço, já que a gravidade por si só não é suficiente para segurá-lo.• Como resultado, com o tempo, a TM se estenderá para uma elipse, que será gradualmente rarefeita, como fragmentos de um cometa (mas será ainda mais rarefeita)!
A MT não pode formar buracos negros e outros objetos densos, já que a gravidade por si só não é suficiente para atar esses objetos. Como a gravidade é muito fraca, pode ligar partículas muito fracamente - o que leva ao aparecimento de estruturas maciças grandes e esparsas. Para obter um pedaço apertado de algo - na forma de uma estrela, planeta, átomo - você precisa de uma interação mais forte que a gravidade.E é bem possível que a MT interaja consigo mesma (ou com a matéria e a radiação em algum nível), mas se assim for, podemos dizer quão fraca é essa interação. É muito, muito fraco, se não zero.
E embora imaginemos que, em larga escala, apenas a gravidade importe, de fato, estruturas visíveis - aquelas que brilham, aquelas que contêm moléculas e átomos, que colapsam em buracos negros - permitem outras interações. Infelizmente, a MT não pode formar essas estruturas, porque a gravidade por si só não é suficiente para isso.Sobre isso, a centésima edição de "Ask Ethan" acabou!Source: https://habr.com/ru/post/pt398661/
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