Excellente question. Les observations montrent que Dark Matter (DM) n'interagit que sensiblement de manière gravitationnelle, bien qu'il soit possible qu'elle puisse interagir «faiblement» d'une autre manière (par exemple dans le 'WIMP' modèle --- lié). Tout ce qui suit ne dépend pas de savoir si DM interagit purement / seulement gravitationnellement, ou simplement principalement gravitationnellement --- donc je vais le traiter comme le premier cas pour plus de commodité.

La matière observable dans l'univers «s'agglutine » énormément: dans les nuages ​​de gaz, les étoiles, les planètes, les disques, les galaxies, etc. Elle fait cela parce que d'interactions électromagnétiques (EM) capables de dissiper de l'énergie. Si vous faites rouler une balle le long d'une surface plane, elle ralentira et finira par s'arrêter (effectivement `` s'agglutinant '' au sol), car les forces dissipatives (frottement) sont capables de transférer son énergie cinétique.

Sur le d'autre part, imaginez que vous percez un trou parfait, directement à travers le centre de la Terre, et que vous y laissez tomber une balle. ( En supposant que le trou et la terre sont parfaitement symétriques ... ) la balle va juste osciller continuellement de chaque côté de la terre à l'autre --- à cause de la conservation de l'énergie. Tout comme un pendule sans frottement (pas de frottement, pas de résistance à l'air). C'est ainsi qu'interagit la matière noire, purement gravitationnelle. Même s'il n'y avait pas de trou à travers le centre de la terre, le DM passera tout droit à travers et continuera à osciller d'avant en arrière, atteignant toujours la même hauteur initiale. Par ordre zéro, la matière noire ne peut «s'agglutiner» que dans la mesure où son énergie initiale ( obtenue peu après le big-bang ) le permet. Un exemple d'un tel "amas" est un "Halo de matière noire" dans lequel des galaxies sont incorporées. Les DM Halos sont (effectivement) toujours plus gros que la matière (baryonique) normale à l'intérieur d'eux --- parce que la matière normale est capable de dissiper l'énergie et de s'effondrer plus loin.

Comme la matière noire n'interagit pas beaucoup, il n'y a pas de mécanisme qui la ralentirait rapidement. Lorsqu'une particule de matière noire tombe vers un centre gravitationnel, elle accélère, puis elle vole à travers la périastre et continue de s'éloigner. La matière normale s'agglutine en planètes, car elle est ralentie par les interactions / collisions. La matière noire n'entre pas en collision et ne peut pas déposer d'énergie. Il reste sur des orbites elliptiques avec de très grands axes et il n'y a aucun moyen de réduire l'ellipse. La matière normale peut réduire sa trajectoire orbitale par des collisions, mais pas la matière noire.

À ce stade, nous en savons beaucoup plus sur ce qu’est la matière noire que sur ce qu’elle est. Il n'interagit pas via la force électromagnétique, et une interaction via la force forte est également peu probable. L'interaction via la force faible est toujours un domaine de recherche actif (voir ici).

Pour comprendre pourquoi la matière noire ne forme pas de grumeaux, imaginez deux particules de poussière sifflant dans l'espace à grande vitesse l'un vers l'autre. Ils se rapprochent mais évitent de justesse une collision frontale avant de partir dans des directions différentes. Pendant un moment, alors qu'ils étaient très proches l'un de l'autre, l'attraction de gravité entre les deux objets était à son plus fort, mais les particules voyageaient trop vite pour que la petite attraction gravitationnelle les maintienne ensemble.

Maintenant, imaginez un scénario différent où les deux particules de poussière se heurtent de front (ce qui se produit via la force électromagnétique). Maintenant que les deux particules ont perdu de l'énergie à cause de la chaleur, l'attraction gravitationnelle entre les particules peut les maintenir ensemble en un bloc. Bientôt, une troisième particule de poussière arrive et entre en collision avec ce bloc de poussière, perd son énergie cinétique et se lie également au bloc. Au fur et à mesure que la motte de poussière grandit, de plus en plus de particules entrent en collision avec elle et elle continue de grossir de plus en plus, finalement dans une planète ou une étoile.

La matière noire se heurte rarement à elle-même (ou à une autre matière), donc c'est presque toujours comme le premier cas, plutôt que le second. Des millions de particules de matière noire vous traversent en ce moment sans rien toucher. Comme il leur est si difficile de se débarrasser de leur énergie cinétique, ils ont tendance à ne pas se lier en amas.

La matière noire peut être de la matière qui n'a ni protons ni neutrons, plus proche de l'énergie pure que du type de matière qui nous est familière ... un peu comme les "GEON" que John Archibald Wheeler a proposé, spéculativement, il y a de nombreuses années.(voir son livre Geons, Black Holes & Quantum Foam pour plus de détails).

Parce qu'il contient de l'énergie, et parce que l'énergie est gravitationnellement équivalente à la masse, il a des interactions gravitationnelles avec la matière ordinaire, donc il fournit la masse supplémentaire nécessaire pour empêcher une galaxie de voler en éclats lors de sa rotation.

Mais, comme il ne contient ni protons ni neutrons, il ne peut pas s'effondrer et former des étoiles, ni interagir avec les photons, pour la même raison;il se peut donc que la seule façon de le détecter soit par ses interactions gravitationnelles.

Si vous considérez que la matière noire se présente sous la forme de particules massives qui ont une énergie cinétique mais n'interagissent que gravitationnellement, alors il existe un moyen simple de voir cela.

Si les particules commencent dans une configuration si leur énergie totale (la somme de l'énergie cinétique positive et de l'énergie potentielle gravitationnelle négative) est nulle; alors ils sont sur le point d'être liés ou non liés par la gravité.

Pour que les choses «s'agglutinent», vous devez rendre leur énergie totale négative . La seule façon de le faire est de supprimer l'énergie cinétique du système.

Avec la matière normale, cela se fait par des interactions électromagnétiques, qui transforment l'énergie cinétique de la matière normale (protons, électrons, etc.) en photons, qui s'échappent ensuite du système. Étant donné que ces types d'interactions ne se produisent pas pour la matière noire (par définition), il n'y a aucun moyen de se débarrasser de l'énergie cinétique et donc la matière noire reamine comme un grand "halo" autour de la matière ordinaire agglomérante gravitationnellement.

Parce que sur le chemin de ce point unique hypothétique, ils passeraient toute une charge de matière normale qui perturberait leur voyage. Vous pouvez plus ou moins retirer entièrement les forces non gravitationnelles de l'équation et poser la même question de la matière normale. Cela étant dit, la théorie veut que (en fin de compte) tout finira par fusionner, et la matière noire y participerait. Cela prend juste un certain temps.