Por quase 100 anos, a matéria escura tem sido uma das maiores questões sem resposta na cosmologia. Embora não possa ser visto diretamente, a sua influência gravitacional molda a estrutura em grande escala das galáxias e do universo. No Perimeter Institute, dois físicos estão investigando como uma forma específica de matéria escura, conhecida como matéria escura autointeragente (SIDM), pode afetar a forma como a estrutura cósmica cresce e muda ao longo do tempo.
Publicado em pesquisa Carta de revisão físicaJames Gurian e Simon May apresentam uma nova ferramenta computacional projetada para estudar como o SIDM afeta a formação de galáxias. Sua abordagem torna possível explorar os tipos de interações de partículas que anteriormente eram difíceis ou impraticáveis de modelar com precisão.
Quando a matéria escura interage consigo mesma
SIDM é uma forma teórica de matéria escura cujas partículas podem colidir umas com as outras, mas não interagem com a matéria bariônica, a conhecida matéria composta de prótons, nêutrons e elétrons. Essas colisões armazenam energia no que os físicos chamam de autointerações elásticas. Este comportamento pode afetar fortemente os halos de matéria escura, grandes concentrações de matéria escura que circundam as galáxias e ajudam a orientar a sua evolução.
“A matéria escura forma aglomerados relativamente difusos que ainda são muito mais densos do que a densidade média do Universo”, disse Gurian, pós-doutorado do Perimeter e coautor do estudo. “A Via Láctea e outras galáxias residem neste halo de matéria escura.”
Calor, fluxo de energia e colapso do núcleo
A natureza autointerativa do SIDM pode desencadear um processo conhecido como colapso gravitérmico dentro dos halos de matéria escura. Este fenômeno surge de uma propriedade contra-intuitiva da gravidade, onde os sistemas limitados pela gravidade tornam-se mais quentes devido à perda de energia, e não ao resfriamento.
“Você tem essa matéria escura autointeragente que transporta energia, e transporta energia para fora, para esses halos”, disse Gurian. “Isso torna o núcleo interno realmente quente e denso à medida que a energia é transportada para fora.” Com o tempo, este processo pode levar o núcleo do halo a um declínio dramático.
Um elo perdido na modelagem da matéria escura
Simular estruturas formadas por SIDM sempre foi um desafio. Os métodos existentes funcionam bem apenas sob certas condições. Algumas simulações funcionam melhor quando a matéria escura é escassa e as colisões são raras, enquanto outras só funcionam quando a matéria escura é extremamente densa e as interações são frequentes.
“Um método é um método de simulação de N corpos que funciona muito bem quando a matéria escura não é muito densa e as colisões são raras. O outro método é um método fluido – e funciona quando a matéria escura é muito densa e as colisões são frequentes.”
“Mas para o interior não havia um bom método”, diz Gurian. “Você precisa de uma abordagem intermediária para acertar entre peças de baixa e alta densidade. Essa é a origem deste projeto.”
Uma ferramenta de simulação mais rápida e acessível
Para resolver este problema, Gurian e seu co-autor Simon May, um ex-pesquisador de pós-doutorado do Perimeter que agora trabalha como ERC Preparatory Fellow na Universidade de Bielefeld, desenvolveram um novo código chamado KISS-SIDM. O software preenche a lacuna entre os métodos de simulação existentes, proporcionando alta precisão e exigindo muito menos poder de computação. Também está disponível publicamente para outros pesquisadores.
“Antes, se você quisesse testar diferentes parâmetros para autointeragir, você tinha que usar esse modelo fluido simplificado ou ir para um cluster, que é computacionalmente caro. Esse código é mais rápido e você pode executá-lo em seu laptop”, disse Gurian.
Abrindo a porta para uma nova física da matéria escura
O interesse na interação da matéria escura aumentou nos últimos anos, em parte devido às propriedades surpreendentes observadas em galáxias que podem não se enquadrar no modelo padrão.
“Recentemente tem havido um interesse considerável na interação com modelos de matéria escura, devido a possíveis anomalias detectadas em observações de galáxias que podem exigir nova física no sector escuro,” disse Neil Dalal, membro do corpo docente de investigação do Perimeter Institute.
“Anteriormente, não era possível calcular com precisão a formação da estrutura cósmica neste tipo de modelos, mas o método desenvolvido por James e Simon fornece uma solução que finalmente nos permite simular a evolução da matéria escura em modelos com interações significativas”, disse Dalal. “O artigo deles deve permitir um espectro mais amplo de estudos que antes eram difíceis.”
Implicações para buracos negros e além
O colapso dos núcleos de matéria escura é particularmente intrigante porque pode deixar assinaturas observáveis com possíveis ligações à formação de buracos negros. No entanto, como esse processo terminará permanece uma questão em aberto.
“A questão fundamental é: qual é o ponto final deste colapso? É isso que realmente queremos fazer – estudar a fase após a criação de um buraco negro.”
Ao tornar possível explorar este estado extremo em detalhe, o novo código representa um passo importante para responder a algumas das questões mais profundas sobre a matéria escura e a estrutura do Universo.
