Durante casi 100 años, la materia oscura ha sido una de las mayores preguntas sin respuesta en cosmología. Aunque no se puede ver directamente, su influencia gravitacional da forma a la estructura a gran escala de las galaxias y el universo. En el Perimeter Institute, dos físicos están investigando cómo una forma particular de materia oscura, conocida como materia oscura autointeractiva (SIDM), puede afectar la forma en que la estructura cósmica crece y cambia con el tiempo.
Publicado en investigación carta de revisión físicaJames Gurian y Simon May presentan una nueva herramienta computacional diseñada para estudiar cómo SIDM afecta la formación de galaxias. Su enfoque permite explorar los tipos de interacciones de partículas que antes eran difíciles o poco prácticos de modelar con precisión.
Cuando la materia oscura interactúa consigo misma
SIDM es una forma teórica de materia oscura cuyas partículas pueden chocar entre sí pero no interactúan con la materia bariónica, la conocida materia formada por protones, neutrones y electrones. Estas colisiones almacenan energía en lo que los físicos llaman autointeracciones elásticas. Este comportamiento puede afectar fuertemente a los halos de materia oscura, grandes concentraciones de materia oscura que rodean las galaxias y ayudan a guiar su evolución.
“La materia oscura forma grupos relativamente difusos que aún son mucho más densos que la densidad promedio del universo”, dijo Gurian, becario postdoctoral de Perimeter y coautor del estudio. “La Vía Láctea y otras galaxias residen en este halo de materia oscura”.
Calor, flujo de energía y colapso del núcleo.
La naturaleza de interacción automática de SIDM puede desencadenar un proceso conocido como colapso gravitérmico dentro de los halos de materia oscura. Este fenómeno surge de una propiedad contraintuitiva de la gravedad, donde los sistemas sujetos a la gravedad se calientan debido a la pérdida de energía en lugar de enfriarse.
“Tenemos esta materia oscura que interactúa sola y que transporta energía, y transporta energía a estos halos”, dijo Gurian. “Esto hace que el núcleo interno sea realmente caliente y denso a medida que la energía se transporta hacia el exterior”. Con el tiempo, este proceso puede llevar el núcleo del halo a un declive dramático.
Un eslabón perdido en el modelado de la materia oscura
Simular estructuras formadas por SIDM ha sido un desafío durante mucho tiempo. Los métodos existentes sólo funcionan bien bajo ciertas condiciones. Algunas simulaciones funcionan mejor cuando la materia oscura es escasa y las colisiones son raras, mientras que otras sólo funcionan cuando la materia oscura es extremadamente densa y las interacciones son frecuentes.
“Un método es un método de simulación de N cuerpos que funciona muy bien cuando la materia oscura no es muy densa y las colisiones son raras. El otro método es un método fluido y funciona cuando la materia oscura es muy densa y las colisiones son frecuentes”.
“Pero para el interior no había un buen método”, afirma Gurian. “Se necesita un enfoque de rango intermedio para llegar justo entre piezas de baja y alta densidad. Ese es el origen de este proyecto”.
Una herramienta de simulación más rápida y accesible
Para resolver este problema, Gurian y su coautor Simon May, un ex investigador postdoctoral de Perimeter que ahora trabaja como becario preparatorio del ERC en la Universidad de Bielefeld, desarrollaron un nuevo código llamado KISS-SIDM. El software cierra la brecha entre los métodos de simulación existentes, proporcionando una alta precisión y requiriendo mucha menos potencia informática. También está disponible públicamente para otros investigadores.
“Antes, si querías probar diferentes parámetros para interactuar contigo mismo, tenías que usar este modelo de fluido simplificado o ir a un clúster, lo cual es computacionalmente costoso. Este código es más rápido y puedes ejecutarlo en tu computadora portátil”, dijo Gurian.
Abriendo la puerta a una nueva física de la materia oscura
El interés en la interacción de la materia oscura ha aumentado en los últimos años, en parte debido a las sorprendentes propiedades observadas en galaxias que pueden no ajustarse al modelo estándar.
“Recientemente ha habido un interés considerable en la interacción con modelos de materia oscura, debido a posibles anomalías detectadas en las observaciones de galaxias que pueden requerir nueva física en el sector oscuro”, dijo Neil Dalal, miembro de la facultad de investigación del Instituto Perimeter.
“Anteriormente no era posible calcular con precisión la formación de la estructura cósmica en este tipo de modelos, pero el método desarrollado por James y Simon proporciona una solución que finalmente nos permite simular la evolución de la materia oscura en modelos con interacciones significativas”, afirmó Dalal. “Su artículo debería permitir un espectro más amplio de estudios que antes eran difíciles”.
Implicaciones para los agujeros negros y más allá
El colapso de los núcleos de materia oscura es particularmente intrigante porque puede dejar huellas observables con posibles conexiones con la formación de agujeros negros. Sin embargo, cómo terminará finalmente este proceso sigue siendo una cuestión abierta.
“La pregunta fundamental es: ¿cuál es el punto final de este colapso? Eso es lo que realmente queremos hacer: estudiar la fase posterior a la creación de un agujero negro”.
Al permitir explorar este estado extremo en detalle, el nuevo código representa un paso importante hacia la respuesta a algunas de las preguntas más profundas sobre la materia oscura y la estructura del universo.
