Strona głównaPytania → Czy ciemna materia tworzy struktury...

Czy ciemna materia tworzy struktury takie jak gwiazdy, planety, galaktyki…?

Pytanie

Pyta Adam

Dlaczego ciemna materia, skoro oddziałuje ze zwykłą materią tylko grawitacyjnie, nie tworzy struktur takich jak zwykła materia – mam na myśli gwiazdy, planety, galaktyki, czy też czarne dziury? Dlaczego wobec wspomnianej wyżej własności nie są znane struktury których składowymi jest jednocześnie zwykła i ciemna materia? Czy oddziaływanie grawitacyjne ciemnej materii jest inne (selektywne) niż grawitacja zwykłej materii?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Galaktyki są strukturami tworzonymi wspólnie przez zwykłą i ciemną materię. Jeśli chodzi o czarne dziury, to ciemna materia wpada do nich tak samo bezpowrotnie jak materia zwykła, i może mieć pewien wpływ na ich masę, szczególnie dla supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w centrach niektórych galaktyk (w tym naszej galaktyki).

Nie mamy natomiast dowodów na obecność znacznych ilości ciemnej materii wewnątrz gwiazd, ani na tworzenie przez ciemną materię struktur o rozmiarach gwiazdowych lub planetarnych. To nie oznacza, że takie struktury nie istnieją, ale wiemy, że nie mogą one odpowiadać za całą masę ciemnej materii w naszej galaktyce. Obserwowalibyśmy znacznie więcej zjawisk soczewkowania grawitacyjnego, gdyby cała ciemna materia w naszej galaktyce była skoncentrowana w obiektach o rozmiarach gwiazdowych lub planetarnych.

Najprostsze modele opisujące ciemną materię zakładają, że składa się ona z cząstek elementarnych, które bardzo słabo oddziałują nie tylko z naszą (zwykłą) materią, ale również same ze sobą. Oddziaływania te nie są zaniedbywalne na wczesnych etapach rozwoju Wszechświata, kiedy wypełniony jest on jednorodnie bardzo gęstą i gorącą materią. W większości modeli zakładamy, że na pewnym etapie zwykła i ciemna materia znajdowały się w równowadze termicznej.

Opisane powyżej warunki można wykorzystać jako warunki początkowe do symulacji komputerowych, które dają nam obraz ewolucji rozkładu gęstości ciemnej materii aż do dnia dzisiejszego. Wynika z nich, że ciemna materia tworzy struktury o rozmiarach galaktycznych, inicjując w ten sposób powstanie galaktyk. Tworzenie się z oddziałujących jedynie grawitacyjnie cząstek ciemnej materii struktur o rozmiarach i gęstościach gwiazdowych wydaje się znacznie trudniejsze.

W bardzo dużym uproszczeniu mechanizm tworzenia się gwiazd ze zwykłej materii jest następujący: w zapadającym się grawitacyjnie obłoku gazu atomy oddziałują ze sobą, temperatura gazu wzrasta kosztem grawitacyjnej energii potencjalnej, a podgrzany gaz emituje elektromagnetyczne promieniowanie termiczne. Emisja fotonów termicznych zmniejsza średnie prędkości cząstek gazu, co umożliwia dalsze zapadanie grawitacyjne i koncentrację dużych ilości materii na małych obszarach.

W przypadku ciemnej materii złożonej z cząstek oddziałujących jedynie grawitacyjnie taki mechanizm nie działa. Nie występuje promieniowanie elektromagnetyczne, prędkości cząstek nie maleją, i mniej prawdopodobne staje się skoncentrowanie materii na małym obszarze. Ciemna materia, jako że nie oddziałuje inaczej niż grawitacyjnie, nie może być też wychwycona przez gwiazdy zbudowane ze zwykłej materii – cząstki ciemnej materii (ogromna większość z nich) mają na tyle duże prędkości względem gwiazd, że poruszają się w ich polach grawitacyjnych po torach hiperbolicznych, czyli nie wchodzą na orbity związane.