Eine Abbildung eines schwarzen Lochs. Trotz der Dunkelheit wird angenommen, dass sich alle schwarzen Löcher aus normaler Materie und nicht aus dunkler Materie gebildet haben. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech.

Warum bildet dunkle Materie keine schwarzen Löcher?

Sie sind die dunkelsten und massereichsten Dinge im Universum. Wieso haben sie nichts miteinander zu tun?

"Alle Unternehmungen, die mit indiskretem Eifer unternommen werden, können zunächst mit großer Kraft betrieben werden, werden aber am Ende sicher zusammenbrechen." - Stillschweigend

Dunkle Materie ist die am häufigsten vorkommende Form von Masse in unserem Universum. Wenn Sie alle Sterne, Planeten, Lebensformen, Gase, Stäube, Plasmen und mehr zusammenzählen - all die bekannte „normale“ Materie in unserem Universum -, würde dies nur etwa 15 bis 17% der gesamten Gravitation ausmachen das sehen wir. Die verbleibende Masse, die die normale Materie im Verhältnis 5: 1 übertrifft, muss vollständig unsichtbar sein, dh sie absorbiert oder emittiert überhaupt kein Licht. Es muss jedoch gravitativ interagieren, damit es im Universum eine großräumige Struktur bilden und Galaxien zusammenhalten kann. Warum kann es dann keine schwarzen Löcher bilden?

Schwarze Löcher sind nicht das einzige, was dunkle Materie nicht bilden kann. Es kann auch keine Sterne, Planeten oder dunklen Atome mit dunkler Materie erzeugen. Stellen Sie sich das Universum so vor, wie es vielleicht schon sehr früh war, bevor es schwarze Löcher, Sterne, Planeten oder Atome gab.

Das frühe Universum war voller Materie und Strahlung und so heiß und dicht, dass sich die vorhandenen Quarks und Gluonen nicht zu einzelnen Protonen und Neutronen formierten, sondern in einem Quark-Gluon-Plasma blieben. Bildnachweis: RHIC Collaboration, Brookhaven, über http://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=11403.

Alles, was wir hatten, war ein heißes, dichtes, sich ausdehnendes „Meer“ von Materie und Strahlung aller zulässigen Arten. Mit der Zeit ist das Universum ein paar Minuten alt geworden, die Atomkerne sind da, alle Elektronen sind da, alle Neutrinos und Photonen sind da und auch die gesamte dunkle Materie ist da.

Sie fliegen alle mit unglaublichen Geschwindigkeiten herum, aber sie üben auch alle Kräfte aufeinander aus. Zwar spüren sie alle die Gravitationskraft (dank Einsteins Energie-Massen-Äquivalenz sogar Photonen), aber die Schwerkraft ist hier nicht das Einzige, worauf es ankommt.

Im heißen, frühen Universum werden vor der Bildung neutraler Atome Elektronen (und in geringerem Maße Protonen) mit sehr hoher Geschwindigkeit von Photonen gestreut, die dabei Impulse übertragen. Bildnachweis: Amanda Yoho.

Photonen und Elektronen haben es am schlimmsten: Sie interagieren sehr häufig durch die elektromagnetische Kraft, streuen und "prallen" sich gegenseitig ab, tauschen Energie, Impuls aus und stoßen mit alarmierender Geschwindigkeit zusammen. Die Kerne schneiden nur wenig besser ab: Sie sind viel massiver, daher ist ihre Interaktionsrate geringer und sie nehmen mit jeder Kollision weniger Schwung auf (oder verlieren an Schwung).

Neutrinos haben viel mehr Glück: Sie haben keine elektrische Ladung und interagieren daher überhaupt nicht durch die elektromagnetische Kraft. Stattdessen können sie (neben der Schwerkraft) nur durch die schwache Kraft interagieren, was bedeutet, dass Kollisionen unglaublich selten sind. Aber dunkle Materie hat das Beste an Freiheit: Soweit wir das beurteilen können, interagiert sie nur durch die Schwerkraft. Es gibt überhaupt keine Kollisionen, und so wird jede dunkle Materie von den anderen Materiequellen angezogen.

Das könnte, Sie machen sich Sorgen, alles noch schlimmer machen! Während normale Materie durch Kollisionen und Wechselwirkungen daran gehindert wird, gravitativ zusammenzufallen, dichtere Klumpen zu bilden usw., beginnt die Dichte der dunklen Materie in den überdichten Regionen zu wachsen. Dies geschieht jedoch nicht so, wie Sie es sich vorstellen. Was passiert, wenn eine Gaswolke zu Sternen zusammenbricht?

In einem massiven, gasförmigen Nebel werden neue Sterne im Universum geboren. Bildnachweis: ESO / VPHAS + -Team, über http://www.eso.org/public/images/eso1403a/.

Das Gas interagiert durch die Gravitationskraft und wird dichter, aber die Materie, die dieses Gas ausmacht, haftet zusammen und ermöglicht es ihm, einen dichteren Zustand zu erreichen. Diese "Klebrigkeit" geschieht nur dank der elektromagnetischen Kraft! Dies ist der Grund, warum Dinge zusammenbrechen können, um gebundene Objekte wie Sterne, Planeten und sogar Atome zu erzeugen.

Ohne diese Klebrigkeit? Am Ende entsteht eine diffuse, locker zusammengehaltene, „flauschige“ Struktur, die nur durch die Schwerkraft zusammengehalten wird. Aus diesem Grund hören Sie von Halos aus dunkler Materie auf Galaxien- und Cluster-Skalen, von Filamenten aus dunkler Materie auf noch größeren Skalen und von keiner anderen Struktur aus dunkler Materie.

Das kosmische Netz wird von dunkler Materie angetrieben, aber die kleinen Strukturen entlang der Filamente bilden sich durch den Zusammenbruch normaler, elektromagnetisch wechselwirkender Materie. Bildnachweis: Ralf Kaehler, Oliver Hahn und Tom Abel (KIPAC).

Diese diffusen, flauschigen Lichthöfe sind unglaublich wichtig: Sie repräsentieren die Keime aller heute im Universum gebundenen Strukturen. Dies umfasst Zwerggalaxien, normale Galaxien, Galaxiengruppen, Galaxienhaufen, Superhaufen und Filamente sowie die gesamte Unterstruktur, aus der diese Objekte bestehen. Aber ohne diese zusätzliche Kraft - ohne eine „klebrige“ Kraft, um sie zusammenzuhalten, Energie und Impuls auszutauschen - ist die dunkle Materie dazu bestimmt, in diesem flauschigen, diffusen Zustand zu bleiben. Die normale Materie kann die eng gebundenen Strukturen bilden, an die Sie gewöhnt sind, aber die dunkle Materie kann nicht unelastisch kollidieren, den Impuls oder den Drehimpuls verlieren und muss daher locker gebunden und "haloartig" bleiben.

Während sich möglicherweise Sterne auf der Scheibe sammeln und die normale Materie auf einen nahe gelegenen Bereich um die Sterne beschränkt ist, erstreckt sich die dunkle Materie in einem Lichthof über das Zehnfache der Ausdehnung des leuchtenden Teils. Bildnachweis: ESO / L. Calçada.

Es ist ein wenig beunruhigend zu glauben, dass es nicht die Gravitationskraft ist, die zu Planeten, Sternen, Schwarzen Löchern und mehr führt, sondern die Schwerkraft ist nur ein Teil der Gleichung. Um diesen Punkt wirklich nach Hause zu bringen, stellen Sie sich vor, Sie hätten eine Kugel genommen und mit einer Kugel aus Atomen gestartet, wie Sie wissen. Was wird der Ball machen?

Ein Projektil unter dem Einfluss der Schwerkraft bewegt sich in einer Parabel, bis es auf andere Materie (wie den Boden) trifft, die es daran hindert, sich weiter zu bewegen. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer MichaelMaggs Edit von Richard Bartz unter c.c.a.-s.a.-3.0.

Natürlich bewegt es sich auf einem parabolischen Pfad (wobei der Luftwiderstand vernachlässigt wird), steigt auf eine maximale Höhe und fällt ab, bis es schließlich auf die Erde trifft. Auf einer grundlegenderen Skala bewegt sich der Ball in einer elliptischen Umlaufbahn mit dem Schwerpunkt der Erde als einem Fokus der Ellipse, aber der Boden steht dieser Ellipse im Weg, und daher sieht der Teil, den wir sehen, aus wie a Parabel. Aber wenn Sie diesen Ball auf magische Weise in einen Klumpen dunkler Materie verwandeln würden, würde Sie das, was Sie bekommen, sehr überraschen.

Normale Materie wird von der Erde gestoppt, aber dunkle Materie würde direkt passieren und eine nahezu perfekte Ellipse bilden. Bildnachweis: Der Physiker von Ask A Mathematician / Ask A Physicist über http://www.askamathematician.com/2012/01/q-why-does-gravity-make-some-things-orbit-and-some-things -fallen/.

Ohne die elektromagnetische Kraft passieren eine ganze Reihe schrecklicher Dinge:

  • Es gibt keine andere Wechselwirkung als die Schwerkraft zwischen den Teilchen, aus denen die Kugel besteht, und den Atomen der Erde. Anstatt eine Parabel zu machen, wandert die dunkle Materie den ganzen Weg durch die Schichten der Erde und schwingt in einer (fast perfekten) Ellipse um das Zentrum (aber aufgrund der Schichten und der ungleichmäßigen Dichte der Erde nicht ganz) ), in der Nähe der Eintrittsstelle herauskommend, erneut eine Parabel bildend und so endlos weiter umkreist.
  • Es gibt auch keine Wechselwirkungen, die diesen Klumpen zusammenhalten! Während Atome in einer Kugel zufällige Bewegungen haben, werden sie durch die elektromagnetische Kraft zusammengehalten und behalten diese kugelähnliche Struktur bei. Wenn Sie diese elektromagnetische Kraft entfernen, lösen die zufälligen Bewegungen der Teilchen der dunklen Materie die Gefahr, dass es sich um einen Klumpen handelt, da die Gravitation des Klumpens selbst nicht ausreicht, um ihn zusammenzuhalten.
  • Dies bedeutet, dass mit der Zeit (und vielen Umlaufbahnen) die dunkle Materie in eine lange Ellipse gestreckt wird und diese Ellipse immer diffuser wird, ähnlich wie die Partikel, aus denen der Trümmerstrom eines Kometen besteht, nur morediffuse!
Bildnachweis: Gehrz, R. D., Reach, W. T., Woodward, C. E. und Kelley, M. S., 2006, von der Spur des Kometen Encke.

Dunkle Materie kann keine Schwarzen Löcher oder andere fest verbundene Strukturen bilden, da die Schwerkraft allein nicht ausreicht, um etwas fest zusammenzubinden. Da die Schwerkraft so schwach ist, kann sie sie nur locker binden, was riesige, diffuse, sehr massive Strukturen bedeutet. Wenn Sie einen „Klumpen“ von etwas wollen - einen Stern, einen Planeten oder sogar ein Atom -, benötigen Sie eine Kraft, die stärker als die Schwerkraft ist, um dies zu erreichen.

Möglicherweise gibt es noch eine! Es ist möglich, dass die Dunkle Materie selbst interagiert (oder auf einer bestimmten Ebene mit Materie oder Strahlung interagiert), aber wenn dies der Fall ist, gibt es nur Einschränkungen, wie schwach diese Interaktion ist. Und es ist sehr, sehr schwach, wenn es überhaupt nicht Null ist.

Wenn dunkle Materie eine Selbstwechselwirkung hat, ist ihr Querschnitt enorm niedrig, wie direkte Detektionsexperimente gezeigt haben. (Bildnachweis: Mirabolfathi, Nader arXiv: 1308.0044 [astro-ph.IM], über https://inspirehep.net/record/1245953/plots.)

Obwohl wir die Schwerkraft als die einzige Kraft betrachten, die auf der größten Skala von Bedeutung ist, ist die Wahrheit, wenn wir an die Strukturen denken, die wir sehen - diejenigen, die Licht abgeben, die Atome und Moleküle beherbergen, die in schwarze Löcher einstürzen. Es sind die anderen Kräfte, die im Einklang mit der Schwerkraft das Überleben dieser Kräfte ermöglichen. Sie benötigen eine Art von unelastischer, klebriger Kollision, und dunkle Materie verfügt nicht über die richtigen Wechselwirkungen, um dies zu ermöglichen. Aus diesem Grund kann dunkle Materie keine Galaxie, keinen Stern, keinen Planeten oder kein Schwarzes Loch machen. Es braucht mehr als die Schwerkraft allein, um die Arbeit zu erledigen.

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!