Если тёмной материи во Вселенной больше всего по массе, и у неё есть гравитация, где же структуры, состоящие из неё?

Все предприятия, начинающиеся с несдержанного рвения, поначалу могут реализовываться с большою силой, но в итоге обязательно проваливаются.
— Тацит

Не могу поверить, что вышло уже 100 выпусков «Спросите Итана». На каждой неделе вы присылаете свои вопросы, и я выбираю наиболее понравившийся мне, чтобы публично ответить на него. На этой неделе были довольно сложные вопросы, но я не могу сказать «нет» одному из них, от Джерри Мейсона:

Если у тёмной материи есть гравитация, почему она не формирует чёрные дыры или другие структуры?

У тёмной материи (ТМ) действительно есть гравитация, и она действительно не формирует чёрные дыры (ЧД), «тёмные» звёзды, планеты или атомы. Почему же?

Представьте себе Вселенную на самых ранних этапах развития, до того, как появились чёрные дыры, звёзды, планеты и атомы. Это горячее, плотное, расширяющееся «море» вещества и излучения всех допустимых типов. Во Вселенной возрастом в несколько минут уже есть атомные ядра и электроны, нейтрино и фотоны, и вся тёмная материя.

Всё это не только летает с огромными скоростями, но и взаимодействует друг с другом. Всё это подвергается воздействию гравитации (даже фотоны, благодаря эйнштейновской эквивалентности массы и энергии), но гравитация – это не единственный фактор.

Фотонам и электронам хуже всего: они очень часто взаимодействуют благодаря электромагнетизму, рассеиваются и «отскакивают» друг от друга, обмениваясь энергиями и импульсами.

Ядрам лишь немного легче: они более массивные, поэтому взаимодействуют они реже, и с каждым столкновением теряют или приобретают меньший импульс.

Нейтрино повезло: у них нет заряда, они не подвержены электромагнитным взаимодействиям. Они подвержены (кроме гравитации) только слабым взаимодействиям, так что столкновения случаются очень редко.

А вот тёмной материи вообще хорошо: она, судя по всему, взаимодействует только через гравитацию. Никаких столкновений не происходит, она лишь притягивается к другим источникам вещества.

Но вы можете обеспокоиться, что это лишь ухудшит ситуацию. У обычного вещества происходят столкновения и взаимодействия, мешающие гравитационному коллапсу и формированию плотных комков. А тёмная материя в более плотных регионах пространства будет скапливаться в сгустки. Но происходит это не совсем так, как вы представляете себе. Например, что происходит, когда газовое облако коллапсирует и формирует звезду?

Газ, подвергаясь воздействию гравитации, становится плотнее, но вещество, из которого он состоит, держится вместе, что позволяет газу достигать более плотного состояния. А вместе она держится лишь из-за электромагнетизма! Именно поэтому вещество может коллапсировать и создавать связанные объекты вроде звёзд, планет и атомов.

А без этого у вас получится лишь рассеянная, с трудом держащаяся вместе «рыхлая» структура, которую держит только гравитация. Поэтому можно услышать про гало из ТМ, или нити из ТМ на больших масштабах, но не о других структурах, состоящих из неё.

Эти разреженные рыхлые гало очень важны – они представляют собой семена всех связанных структур Вселенной. Это карликовые галактики, нормальные галактики, группы галактик, скопления, сверхскопления и нити, а также все подструктуры этих объектов. Но без дополнительной силы, без «склеивающего» воздействия, удерживающего всё это вместе для обмена энергией и импульсом, ТМ обречена оставаться в таком рыхлом и разреженном состоянии. Обычное вещество может формировать плотные структуры, но ТМ не может сталкиваться неэластично, терять импульс и угловой момент, и, следовательно, вынуждена существовать в виде гало.

Немного не по себе думать о том, что планеты, звёзды, чёрные дыры и всё остальное удерживаются вместе не из-за гравитации – но гравитация служит лишь частью уравнения. Представьте, что вы запустили некий шар из атомов. Что с ним произойдёт?

Естественно, он будет двигаться по параболе (если не учитывать сопротивление воздуха), поднимется до максимальной высоты и будет падать, пока не ударится о Землю. На большом масштабе он будет двигаться по эллиптической орбите, в одном из фокусов которой будет находиться центр масс Земли, но поскольку на его пути оказывается её поверхность, часть его траектории выглядит, как парабола.

Но если этот шар волшебным образом превратится в кусок ТМ, то результат вас сильно удивит.

Без электромагнитных сил случится много страшного:
• Кроме гравитации, нет других взаимодействий между частицами шара и атомами Земли. Вместо параболы шар ТМ пройдёт через все слои Земли, обогнёт центр по почти идеальному эллипсу (но не совсем идеальному из-за неравномерной плотности Земли), выйдет наружу недалеко от точки входа в поверхность, опять опишет параболу, и так и будет продолжать летать бесконечно.
• Сам комок также ничто не держит вместе! Хотя атомы обычного шара тоже двигаются случайным образом, их удерживает вместе электромагнитное взаимодействие, в результате чего шар сохраняет свою форму. При удалении этого взаимодействия случайные движения частиц ТМ раздербанят этот комок, поскольку одной только гравитации для удержания его недостаточно.
• В результате, со временем ТМ растянется в эллипс, который будет постепенно разрежаться, подобно обломкам кометы (но он будет ещё более разреженным)!

ТМ не может формировать чёрные дыры и другие плотные объекты, поскольку одной лишь гравитации недостаточно для связывания этих объектов. Поскольку гравитация очень слаба, она может связать частицы очень слабо – что приводит к появлению больших, разреженных массивных структур. Для получения плотного комка чего-либо – в виде звезды, планеты, атома – вам нужно взаимодействие сильнее гравитации.

И вполне возможно, что ТМ взаимодействует сама с собой (или с веществом и излучением на каком-то уровне), но если и так, мы можем сказать, насколько это взаимодействие слабое. Оно очень-очень слабое, если вообще не нулевое.

И хотя мы представляем себе, что на больших масштабах только гравитация имеет значение, на самом деле, существовать видимым структурам – тем, что светятся, тем, что содержат молекулы и атомы, тем, что коллапсируют в чёрные дыры – позволяют другие взаимодействия. ТМ, к сожалению, не может образовывать такие структуры, ибо одной гравитации для этого недостаточно.

На этом 100-й выпуск «спросите Итана» завершён!