Por dentro do misterioso colapso dos halos de matéria escura

Em pesquisa publicada em Cartas 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 tipos de interações de partículas que antes 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 matéria familiar feita de prótons, nêutrons e elétrons. Essas colisões conservam energia por meio do que os físicos chamam de autointerações elásticas. Este comportamento pode influenciar fortemente os halos de matéria escura, as enormes concentrações de matéria escura que rodeiam 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”, diz Gurian, pós-doutorado do Perimeter e coautor do estudo. “A Via Láctea e outras galáxias vivem nestes halos de matéria escura.”

Calor, fluxo de energia e colapso do núcleo

A natureza autointerativa do SIDM pode desencadear um processo conhecido como colapso gravotérmico dentro dos halos de matéria escura. Este fenómeno surge de uma propriedade contra-intuitiva da gravidade, onde os sistemas limitados pela gravidade tornam-se mais quentes à medida que perdem energia em vez de arrefecerem.

“Temos esta matéria escura autointeragente que transporta energia e tende a transportar energia para fora nestes halos”, diz Gurian. “Isso faz com que o núcleo interno fique muito 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 colapso dramático.

Um elo perdido na modelagem da matéria escura

Simular as estruturas formadas pelo SIDM sempre foi um desafio. Os métodos existentes funcionam bem apenas sob certas condições. Algumas simulações têm melhor desempenho quando a matéria escura é escassa e as colisões são raras, enquanto outras são eficazes apenas quando a matéria escura é extremamente densa e as interações são frequentes.

“Uma abordagem é uma abordagem de simulação de N corpos que funciona muito bem quando a matéria escura não é muito densa e as colisões são pouco frequentes. A outra abordagem é uma abordagem fluida – e isto funciona quando a matéria escura é muito densa e as colisões são frequentes.”

“Mas para o meio-termo, não havia um bom método”, diz Gurian. “Você precisa de uma abordagem intermediária para alternar corretamente entre as partes de baixa e alta densidade. Essa foi 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 atua como ERC Preparative Fellow na Universidade de Bielefeld, desenvolveram um novo código chamado KISS-SIDM. O software preenche a lacuna entre os métodos de simulação existentes, proporcionando maior precisão e exigindo muito menos poder de computação. Também está disponível publicamente para outros pesquisadores.

“Antes, se você quisesse verificar diferentes parâmetros para matéria escura autointeragente, você precisava usar este modelo de fluido realmente simplificado ou ir para um cluster, que é computacionalmente caro. Este código é mais rápido e você pode executá-lo em seu laptop”, diz Gurian.

Abrindo a porta para uma nova física da matéria escura

O interesse na interação da matéria escura tem crescido nos últimos anos, em parte devido a características intrigantes observadas em galáxias que podem não se enquadrar nos modelos padrão.

“Tem havido recentemente um interesse considerável na interação de modelos de matéria escura, devido a possíveis anomalias detetadas em observações de galáxias que podem exigir nova física no setor escuro,” afirma Neal Dalal, membro do corpo docente de investigação do Perimeter Institute.

“Anteriormente, não era possível realizar cálculos precisos da 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”, diz Dalal. “O artigo deles deve permitir um amplo espectro de estudos que antes eram intratáveis”.

Implicações para buracos negros e além

O colapso dos núcleos de matéria escura é especialmente intrigante porque pode deixar assinaturas observáveis, incluindo possíveis ligações à formação de buracos negros. No entanto, como esse processo termina permanece uma questão em aberto.

“A questão fundamental é: qual é o ponto final deste colapso? Isso é o que realmente gostaríamos de fazer – estudar a fase após a formação de um buraco negro.”

Ao tornar possível explorar estas condições extremas 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.