Si la materia oscura solo interactúa con la gravedad, ¿por qué no se agrupa toda en un solo punto?

Soy un completo laico. Según tengo entendido, la materia oscura teóricamente solo interactúa con la fuerza gravitacional y no interactúa con las otras tres fuerzas fundamentales: la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte y el electromagnetismo.

Esos son mis entendimientos. Si me equivoco, corríjame. He buscado en Google y no he encontrado nada que confirme o niegue que la materia oscura se ve afectada por cualquiera de las fuerzas nucleares fundamentales.

Entonces, dado que la materia oscura solo interactúa con la gravedad, ¿qué hace que una partícula de materia oscura sea repelida por otra? Si pueden atravesarse libremente y se atraen gravitatoriamente entre sí, ¿por qué esas partículas no se agrupan en un solo "punto" en el espacio?

Me parece que las partículas que ocupan un solo 'espacio' no son filosóficamente partículas distintas, pero no sé cómo la física real jugaría esto.

Editar este artículo , las credenciales del autor son desconocidas, pero afirma implícitamente ser un físico o astrónomo, dice "... [F]ísicos generalmente toman toda la materia oscura como compuesta de un solo tipo de partícula que esencialmente interactúa solo a través de la gravedad".

Editar 2 El autor es este Lisa Randall , "Profesor de Ciencias en la facultad de física de la Universidad de Harvard".

Piensa en lo que significa cuando dices "grumo"...
@dmckee No estoy muy versado en física, pero supongo que me estás preguntando si estoy pensando en átomos y moléculas cuando digo 'aglomeración', que entiendo es causado por una fuerza nuclear fuerte. Pero, por 'grupo', me refiero a una estrecha órbita gravitatoria entre sí. Y por extensión lógica, si se cruzan, ¿pueden ser sus órbitas tan estrechas que ocupen el mismo espacio, como una singularidad? Si eso no es lo que me estás preguntando, me vendría bien un poco de exposición :)
Podría hacer la misma pregunta sobre la materia 'normal': ¿por qué no se agrupan todos juntos? Además, afirma que DM no interactúa con las otras tres fuerzas fundamentales, pero ¿realmente sabemos eso, considerando lo poco que sabemos sobre DM?
@Gert No lo entiendo completamente, pero creo (sujeto a corrección, por supuesto) que se agrupa de la forma en que lo hace, en átomos y moléculas, debido a la fuerza nuclear fuerte y el electromagnetismo, respectivamente. En cuanto a lo poco que sabemos, no sé por qué no se afirma explícitamente que "no sabemos si la materia oscura interactúa con las fuerzas nucleares fundamentales" en lugar de "solo interactúa con la gravedad". Esa es un poco mi pregunta.
En escalas muy grandes, la materia oscura se "agrupa", y el tamaño de estos grumos viene dado por la temperatura de la materia oscura. Eventualmente, cuando el universo esté extremadamente frío, estos bultos serán mucho más pequeños de lo que son ahora, pero eso llevará mucho tiempo.
@CuriousOne Entonces, ¿qué causa que [d/s] la materia oscura se separe en primer lugar? ¿Las partículas están separadas de ser arrojadas por el Big Bang, o la atracción de la materia bariónica evita que formen grumos más grandes?
Posible duplicado: physics.stackexchange.com/q/46634/2451 y enlaces allí.
La homogeneidad del universo primitivo. Por lo que podemos decir, basándonos en las mediciones del fondo cósmico de microondas, todas las "cosas", incluida la materia oscura, estaban distribuidas de manera bastante uniforme cuando "comenzó" el universo. Desde entonces el universo está llegando al equilibrio térmico, lo que para los objetos que gravitan implica aglomeración. Por otro lado, la materia oscura probablemente no sea estable, por lo que se descompondrá a medida que se agrupe y esto, una vez más, homogeneizará el universo, pero esta vez en un estado de fotones muy frío y distribuido uniformemente.
Cuando pregunté acerca de la palabra "aglomeración", esperaba que imaginaras dos pequeños objetos volando uno hacia el otro y chocando. Entonces tienes que preguntar, ¿separar la mosca de nuevo o se pegan? Y para responder eso hay que preguntarse qué fuerzas son las responsables de que se peguen. Pero si DM no interactúa, entonces no hay fuerza para causar que se pegue . Eso sí, el candidato experimental favorito es un anuncio similar a WIMP, por lo que participa en la interacción débil , pero eso es una preferencia, no un hecho.
@dmckee Como traté de indicar antes, soy un completo novato en física y realmente no sé por qué dos objetos pequeños se pegan. Había pensado que lo que les impedía colapsar en una singularidad era la fuerza nuclear fuerte y débil. Pero en cuanto a la materia oscura, estaba imaginando sistemas solares, galaxias, estrellas y agujeros negros, que entiendo que se 'agrupan' debido a la gravedad (partículas en órbita entre sí en lugar de chocar entre sí)
@dmckee entonces, cuando la gravedad es lo suficientemente fuerte como para abrumar a las otras fuerzas que afectan la materia bariónica, la materia colapsa en un agujero negro. Dado que (en algunas teorías) DM solo se ve afectado por la gravedad, no entendí qué evitaría que colapsara en un agujero negro también.
"Entonces, cuando la gravedad es lo suficientemente fuerte como para abrumar a las otras fuerzas que afectan la materia bariónica, la materia colapsa en un agujero negro". Estás tratando de avanzar demasiado y demasiado rápido. Primero averigüe por qué la materia ordinaria pasa de nubes de gas y polvo a objetos perfectamente ordinarios como estrellas y planetas. No imagine que los agujeros negros tienen propiedades especiales o requieren procesos especiales porque comenzaron como acumulaciones de materia bastante ordinarias. Luego puede preguntar qué hace que la materia oscura se comporte de manera diferente a las cosas a las que está acostumbrado.
@dmckee Siempre pensé que era la gravedad, pero aparentemente tengo más que aprender :)
Relacionado/duplicado: physics.stackexchange.com/q/174977
No sé si esto agrega algo, pero en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter_halo sugiere que SÍ se aglutina. Solo que "influye en la estructura a gran escala del universo" (de: en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter ). Entonces, las grandes distancias sobre las que se agrupa hacen que parezca que no lo es.

Respuestas (6)

Gran pregunta. Las observaciones muestran que la Materia Oscura (DM) solo interactúa notablemente gravitacionalmente, aunque es posible que pueda interactuar de otras maneras "débilmente" (por ejemplo, en el modelo 'WIMP' --- vinculado) . Todo lo que sigue no depende de si DM interactúa puramente/solo gravitacionalmente, o solo predominantemente gravitacionalmente, así que lo trataré como el primer caso por conveniencia.

La materia observable en el universo se ' agrupa ' tremendamente: en nubes de gas, estrellas, planetas, discos, galaxias, etc. Lo hace debido a las interacciones electromagnéticas (EM) que pueden disipar energía. Si haces rodar una pelota por una superficie plana, disminuirá la velocidad y eventualmente se detendrá (efectivamente, se 'aglutinará' en el suelo), porque las fuerzas disipativas (fricción) pueden transferir su energía cinética.

Por otro lado, imagina que perforas un agujero perfecto, recto a través del centro de la Tierra, y dejas caer una pelota por él. ( Asumiendo que el hoyo y la tierra son perfectamente simétricos... ) la bola oscilará continuamente de un lado a otro de la tierra --- debido a la conservación de la energía. Como un péndulo sin fricción (sin fricción, sin resistencia del aire). Así es como interactúa la materia oscura, puramente gravitacional. Incluso si no hubiera un agujero en el centro de la tierra, el DM simplemente lo atravesará y continuará oscilando de un lado a otro, siempre alcanzando la misma altura inicial. En orden cero, la materia oscura solo puede 'agruparse' tanto como lo permita su energía inicial ( obtenida poco después del Big-Bang ). Un ejemplo de tal 'grupo' es un'Dark Matter Halo' en el que están incrustadas las galaxias. Los halos de DM son (efectivamente) siempre más grandes que la materia normal (bariónica) dentro de ellos, porque la materia normal es capaz de disipar energía y colapsar más lejos.

"Suponiendo que el agujero y la Tierra sean perfectamente simétricos..." - también suponiendo que la Tierra no gira (o que el agujero se perforó perfectamente en línea con su eje de rotación).
@JanDvorak y que la luna y el sol no existen, y... y :)
@JanDvorak ... y podemos suponer que la pelota realmente se comporta como lo haría una vaca esférica adecuada, para fines de análisis. De esa manera, el experimento será reproducible en las clases de física de pregrado más adelante. La mayoría de los cursos de física de pregrado tienen acceso limitado a pelotas pero acceso a una cantidad casi ilimitada de vacas esféricas.
Entonces, ¿la materia oscura no interactúa, por lo tanto, no puede agruparse en sí misma? ¿Qué pasa con un agujero negro? Si la materia oscura entra en el horizonte de sucesos, ¿puede pasar? ¿Qué tipo de masa se agrega al agujero negro?
@Paul, DM interactúa gravitacionalmente , por lo que debería interactuar con los agujeros negros como cualquier otra cosa .
Entonces, debido a que no hay fricción (u otra interacción), las partículas de materia oscura describen un sistema ideal de N-cuerpos con masas puntuales.
No creo que esta respuesta sea correcta. Asumiendo que la materia oscura es una partícula, interactúa con nuestro universo observable solo a través de la gravedad. Sin embargo, las propias partículas de materia oscura interactúan a través de alguna interacción débil e indefinida.
@ratchetfreak exactamente! Esa es una de las razones por las que las simulaciones solo de materia oscura como 'Millennium' pueden tener volúmenes tan grandes y altas resoluciones: las simulaciones de N-Body son mucho más simples y fáciles que incluir gas (etc.).
Sin embargo, un proceso llamado "fricción dinámica" puede aplicarse a la materia oscura. Esto puede, por ejemplo, arrastrar subhalos al centro de los halos principales.
@MaxW La fuerza débil se llama "débil" por una razón: es mucho más débil que la fuerza EM y opera en un rango más corto . Esto significa que es mucho, mucho, MUCHO más difícil para los WIMP que para la materia normal colisionar efectivamente entre sí y arrojar energía cinética. No es que no suceda en absoluto, pero no sucede lo suficiente.
+1 Por cierto por la nota al final sobre los tamaños relativos de los halos de DM y sus contrapartes de materia bariónica: había escuchado esta explicación antes, pero no esa extensión lógica.
@CortAmmon Cuando termines con tu vaca esférica, me prepararé un poco... redondo. arcos
¿La interacción gravitacional con la materia ordinaria no haría que la materia oscura, muy lentamente, perdiera energía y al final colapsara? El bloqueo de marea de dos objetos es un ejemplo de esto pero con materia ordinaria. Algo similar podría ocurrir con la materia oscura mientras interactúa con la materia ordinaria.
@ user171780 el bloqueo de marea solo ocurre debido a las interacciones EM dentro de cada cuerpo. Por ejemplo, las mareas, etc. Las masas puntuales que solo interactúan gravitatoriamente no pueden perder energía de esa manera. ¿Qué significaría eso? ¿Cómo sucedería?

Debido a que la materia oscura no interactúa mucho, no existe un mecanismo que la ralentice rápidamente. Cuando una partícula de materia oscura está cayendo hacia algún centro gravitatorio, está acelerando, luego vuela a través del periápside y continúa alejándose en la distancia. La materia normal se acumula en los planetas, porque se ralentiza por las interacciones/colisiones. La materia oscura no choca y no puede depositar energía. Se mantiene en órbitas elípticas con ejes muy grandes y no hay forma de reducir la elipse. La materia normal puede reducir su trayectoria orbital por colisiones, pero no la materia oscura.

Entonces, ¿cómo se mantiene unida nuestra galaxia? ¿No requiere esto la acumulación de materia oscura hacia el centro de la galaxia?
@PeterMortensen Todo lo contrario: realmente no puede agruparse mucho. Imagine una partícula de materia oscura que ingresa a nuestra galaxia al azar, ¿qué sucede? Casi exactamente lo mismo que sucede con cualquier estrella rebelde: dependiendo de la suerte, podría dispararse incluso más rápido de lo que entró, podría encontrar una órbita elíptica agradable en la galaxia... Para hacer que se agrupe en el centro, debe necesitaría una serie de interacciones bastante específicas con la materia circundante (oscura o no), y en cada una de ellas, un cuerpo se acelera, mientras que el otro se ralentiza; en promedio, el impulso y la energía se conservan.
@PeterMortensen Por otro lado, con las interacciones EM, existe una prevalencia de pérdida de energía para el universo: muchas interacciones EM implican disparar fotones fuera de la galaxia, llevándose energía con ellos. Por ejemplo, los sistemas estelares se forman a partir de nubes de gas de esta manera: las colisiones EM hacen que sus partículas pierdan energía con el tiempo en forma de luz. En la galaxia en general, la gravedad parece dominar casi absolutamente, razón por la cual la materia normal se comporta de manera muy similar a la materia oscura en las escalas galácticas. Pero colisiones, supernovas, viento solar... todas esas son casi exclusivamente interacciones EM.
@PeterMortensen Por supuesto, también se irradia una pequeña cantidad de energía en las interacciones gravitacionales, pero nuevamente, dado que la gravedad es tan increíblemente débil, esto solo se nota en situaciones como dos estrellas de neutrones que se orbitan muy cerca. Debería conducir a un poco de aglomeración, pero realmente no puedo ponerle un número. Muy bien podría ser suficiente para la caída que esperamos teóricamente (una simple dependencia de r cuadrado). Pero en realidad no sabemos mucho: si hay un halo galáctico de DM, por ejemplo, podría explicar parte de la energía "faltante". Observar DM es difícil :D

En este punto, sabemos mucho más sobre lo que no es la materia oscura que lo que es. No interactúa a través de la fuerza electromagnética, y la interacción a través de la fuerza fuerte también es poco probable. La interacción a través de la fuerza débil sigue siendo un área activa de investigación (ver aquí ).

Para entender por qué la materia oscura no forma grumos, imagina dos partículas de polvo zumbando a través del espacio a gran velocidad una hacia la otra. Se acercan pero evitan por poco una colisión frontal antes de partir en diferentes direcciones. Por un momento, cuando estaban muy juntos, la atracción de la gravedad entre los dos objetos era más fuerte, pero las partículas viajaban demasiado rápido para que la pequeña atracción gravitacional las mantuviera juntas.

Ahora imagine un escenario diferente donde las dos partículas de polvo chocan de frente (lo que sucede a través de la fuerza electromagnética). Ahora que las dos partículas han perdido energía a través del calor, la atracción gravitacional entre las partículas puede mantenerlas unidas en un grupo. Pronto, aparece una tercera partícula de polvo y choca contra este grupo de polvo, pierde su energía cinética y también se une al grupo. A medida que crece la acumulación de polvo, más partículas chocan con ella y continúa creciendo más y más, eventualmente en un planeta o una estrella.

La materia oscura rara vez choca consigo misma (o con otra materia), por lo que casi siempre es como el primer caso, en lugar del segundo. Millones de partículas de materia oscura están pasando a través de ti ahora mismo sin golpear nada. Dado que es tan difícil para ellos deshacerse de su energía cinética, tienden a no aglutinarse en grupos.

Cuando dices "la materia [d] ark rara vez choca contra sí misma (u otra materia)", ¿quieres decir que rara vez pasa a través de otra partícula?
¿Le importaría citar una fuente de "millones de partículas de materia oscura ESTÁN pasando a través de usted ..." - solo curiosidad.
@ user151841 La materia oscura pasa constantemente a través de la materia regular, pero rara vez choca.
@Mindwin Consulte el párrafo 2 bajo el encabezado 1: cosmology.berkeley.edu/preprints/cdms/9809009.pdf
¿Qué significa 'colisionar' en términos de materia oscura?
@ user151841 Intercambiar impulso con otra partícula a través de la fuerza nuclear débil

Si considera que la materia oscura está en forma de partículas masivas que tienen energía cinética pero solo interactúan gravitacionalmente, entonces hay una manera simple de ver esto.

Si las partículas parten de una configuración en la que su energía total (la suma de la energía cinética positiva y la energía potencial gravitacional negativa) es cero; entonces están en la cúspide entre estar unidos o no estar unidos gravitacionalmente.

Para hacer que las cosas se "agrupen" necesitas hacer que su energía total sea negativa . La única forma de hacerlo es eliminar la energía cinética del sistema.

Con la materia normal, esto se hace a través de interacciones electromagnéticas, que convierten la energía cinética de la materia normal (protones, electrones, etc.) en fotones, que luego escapan del sistema. Dado que este tipo de interacciones no ocurren con la materia oscura (por definición), entonces no hay forma de deshacerse de la energía cinética y, por lo tanto, la materia oscura permanece como un gran "halo" alrededor de la materia ordinaria que se aglomera gravitacionalmente.

La materia oscura podría ser materia que no tiene protones o neutrones, más como energía pura que el tipo de materia que nos es familiar... algo así como los "GEON" que John Archibald Wheeler propuso, especulativamente, hace muchos años (ver su libro Geons, Black Holes & Quantum Foam para más detalles).

Debido a que contiene energía, y debido a que la energía es gravitatoriamente equivalente a la masa, tiene interacciones gravitatorias con la materia ordinaria, por lo que proporciona la masa adicional necesaria para evitar que una galaxia se separe mientras gira.

Pero, debido a que no contiene protones ni neutrones, no puede colapsar y formar estrellas, ni puede interactuar con los fotones, por la misma razón; por lo que podría ser que la única forma en que podamos detectarlo sea a través de sus interacciones gravitatorias.

Esto parece ser más una respuesta especulativa que cualquier otra cosa; se han realizado algunas investigaciones sobre la materia oscura, y de eso se trata la pregunta. Si bien esta es una respuesta interesante, trate de ceñirse a los hechos conocidos, no a las teorías personales.
Hola: Soy nuevo aquí, y no estoy seguro si este es el lugar adecuado para este tipo de preguntas... Me gustaría enviarle un mensaje a Heather, en privado, y no sé cómo hacer esto... ¿Alguien puede explicar cómo? ?
No hay sistema de mensajes privados. Puede @-etiquetar a las personas que han interactuado con las publicaciones (comentadas o editadas) en los comentarios de las publicaciones con las que han interactuado, pero sucede en público.
@heather Hola Heather: mi respuesta no es una teoría personal, sino que se basa en el trabajo de un caballero que estudió en Cornell con Bethe + Morrison + Feynman, y recibió su doctorado allí en 1953... Sin embargo, sabiendo que su explicación de la materia oscura es "no estándar", me temo que si publico más detalles, resultará en que otros usuarios del sitio "deterioren" mi reputación ... ¿hay alguna forma de discutir una teoría no estándar o modelo o idea sin ser "abollado" ??
@PERFESSERCREEK-WATER, creo que si dices lo que me acabas de decir, nadie "dañará" tu reputación... sin embargo, creo que había una respuesta específica que el OP quería y realmente no la diste así parece ser una teoría muy desconocida (según su comentario) y no es la explicación principal sobre la materia oscura.
@heather dijiste: "esta parece ser una teoría muy desconocida (según tu comentario) y no es la explicación principal sobre la materia oscura. – heather" Cierto: comencé una sala de chat para hablar sobre eso, y estoy ¡Iré allí ahora para ver si alguien dejó algún mensaje allí!

Porque en su camino hacia ese hipotético punto único, pasarían toda una carga de materia normal que perturbaría su viaje. Puede eliminar más o menos las fuerzas no gravitacionales de la ecuación por completo y hacer la misma pregunta de la materia normal. Dicho esto, la teoría dice que (en última instancia) todo terminará fusionándose, y la materia oscura participaría en eso. Solo toma un tiempo.

Si la materia oscura solo interactúa con la gravedad, ¿por qué no se agrupa toda en un solo punto?
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