¿La materia oscura ejerce la misma fuerza gravitacional que la materia ordinaria?

Suponemos que la gravedad se acopla al tensor de tensión-energía, es decir, la ecuación de Einstein relaciona la curvatura con el tensor de tensión-energía. En cosmología, los únicos términos importantes en el tensor tensión-energía son los términos diagonales$T_{00}$,$T_{11}$,$T_{22}$y$T_{33}$. El$T_{00}$El término es la densidad de energía, es decir, cuántas cosas hay por unidad de volumen. Tenga en cuenta que la masa y la energía se tratan como relacionadas por la famosa ecuación de Einstein.$E=mc^2$. Los otros tres términos,$T_{11}$a$T_{33}$, son la presión.

La materia tiene una densidad distinta de cero (y positiva) y una presión insignificante, por lo que solo contribuye a$T_{00}$. La energía oscura también tiene una densidad distinta de cero (y positiva), pero además tiene una presión negativa. Entonces, la energía oscura contribuye a los cuatro términos diagonales.

La forma en que las cosas contribuyen al tensor de estrés-energía dicta cómo lo describimos. Entonces, por ejemplo, la dinámica de los cúmulos y las curvas de rotación de las galaxias indican que hay algo presente que solo contribuye a$T_{00}$. Por eso llamamos a eso algo materia . La materia oscura es simplemente materia definida de esta manera que no podemos ver. Las mediciones de la tasa de expansión del universo nos dicen que hay algo presente con una densidad de energía positiva que contribuye a$T_{00}$y una presión negativa que contribuye a$T_{11}$a$T_{33}$, y llamamos a esto energía oscura .

Así que tu pregunta es al revés. Definimos la materia oscura como materia porque contribuye al tensor de tensión-energía de la misma manera que lo hace la materia cotidiana que nos rodea. Entonces se acopla a la gravedad de la misma manera que lo hace la materia ordinaria porque así es como se define.

Si tuviéramos alguna forma alternativa de medir la materia oscura que no se basara en medir su gravedad, sería interesante comparar las dos medidas. Pero ahora mismo la gravedad es la única forma que tenemos de medir la densidad de la materia oscura.

La respuesta es que no lo sabemos. Es una suposición de trabajo que lo hace, y es esta suposición la que conduce a una estimación de la masa total y cómo se distribuye esa masa, esencialmente mediante la aplicación de la ecuación de Poisson para la gravitación.

Si por alguna razón la materia oscura no se acoplara gravitatoriamente de la misma manera que la materia normal, entonces podría distribuirse de manera diferente y no estaría claro qué entendías realmente por la masa de la materia oscura, ya que en este caso nos referimos a la masa gravitatoria.

Ciertamente se ha conjeturado que la materia oscura y la energía oscura pueden acoplarse de forma no gravitacional (p. ej., Koyama et al. 2009 , Murgia et al. 2016 y muchos otros). Esto podría hacer que la materia oscura se comporte de manera diferente a la materia bariónica; por ejemplo, la aceleración gravitacional podría no ser independiente de la masa de la materia oscura y podría alterar sutilmente las propiedades relativas de agrupamiento de la materia oscura y bariónica.

La curva de rotación existe debido a la presencia de materia oscura y materia bariónica. Y podemos estimarlo usando la velocidad orbital del Sol y su distancia al Centro Galáctico. El hecho de que podamos hacer eso demuestra que podemos estimar la interacción generada por Dark Matter. Así se planteó inicialmente su existencia. Sabíamos que la interacción existía y no pudimos encontrar suficiente materia "ordinaria" para explicar la "fuerza" gravitatoria.

Mi opinión sobre la velocidad constante de las estrellas que orbitan alrededor del centro de la galaxia es la siguiente: la densidad de estrellas es tal que una bola (mismo centro que la ghalaxy) con radio$r$tiene que contener una masa directamente proporcional a$r$. Siempre que la masa fuera de la bola se distribuya de manera suficientemente uniforme, los efectos gravitatorios de la masa de los objetos exteriores se cancelan. (Imagínese estar dentro de un objeto esférico hueco con densidad uniforme, es fácil ver que el efecto gravitacional de ese objeto hueco sobre usted se cancelará).

Tal distribución causará la aceleración gravitacional en un punto dentro de la galaxia con una distancia radial$r$ser inversamente proporcional a$r$porque es directamente proporcional a$m\over r^2$con$m$(masa dentro de la pelota con radio$r$) siendo directamente proporcional a$r$. Aceleración centrípeta inversamente proporcional a$r$, por supuesto, significa velocidad constante.

Bien, la galaxia puede terminar siendo muy brillante si va a contener suficientes estrellas, pero ese no tiene por qué ser el caso. Solo necesitamos algunos agujeros negros dispersos allí para proporcionar suficiente masa, dando vueltas alrededor del centro como estrellas brillantes, sus planetas y cualquier otra cosa, siempre que la masa dentro de una bola sea directamente proporcional a su radio.

Así que no hay necesidad de que la energía oscura explique estas velocidades, solo esta simple distribución de masa. Sin embargo, con respecto al brillo, no tengo ni idea de qué proporción de masa debería estar contenida en los agujeros negros.