A matéria escura tem sido uma das maiores questões sem resposta na cosmologia há quase cem anos. 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 estudando como uma forma especial de matéria escura, conhecida como matéria escura auto-interativa (SIDM), afeta a forma como a estrutura do universo cresce e muda ao longo do tempo.
Num estudo publicado 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 com a matéria bariônica, a substância comum composta de prótons, nêutrons e elétrons. Essas colisões conservam energia por meio do que os físicos chamam de autointeração elástica. Este comportamento pode influenciar fortemente os halos de matéria escura, as grandes concentrações de matéria escura que rodeiam as galáxias, e ajudar a orientar a sua evolução.
“A matéria escura forma aglomerados relativamente dispersos 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 vivem nestes halos de matéria escura.”
Calor, fluxo de energia e colapso do núcleo
As propriedades de autointeração do SIDM podem desencadear o processo de colapso térmico gravitacional dentro do halo de matéria escura. Este fenómeno decorre das propriedades contra-intuitivas da gravidade, pelas quais os sistemas limitados pela gravidade tornam-se mais quentes à medida que perdem energia em vez de arrefecerem.
“Essa matéria escura autointeragente pode transportar energia e tende a transportar energia para fora desses halos”, disse Gurian. “À medida que a energia é transportada para fora, isso faz com que o núcleo fique muito quente e denso.” Com o tempo, esse processo pode causar o colapso dramático do núcleo do halo.
O elo perdido na modelagem da matéria escura
Simular estruturas formadas por SIDM sempre foi um desafio. Os métodos existentes só funcionam sob certas condições. Algumas simulações funcionam melhor quando a matéria escura é escassa e há poucas colisões, enquanto outras só funcionam quando a matéria escura é extremamente densa e interage com frequência.
“Um método é o método de simulação de N-corpos, que funciona muito bem quando a densidade da matéria escura não é muito densa e as colisões são pouco frequentes. O outro método é o método dos fluidos – que funciona bem quando a matéria escura é muito densa e as colisões são frequentes.”
“Mas para as situações intermediárias, não há um bom caminho”, disse Gurian. “Você precisa de uma abordagem intermediária para alternar adequadamente entre seções de baixa e alta densidade. Essa é a gênese deste projeto.”
Ferramentas de simulação mais rápidas e convenientes
Para resolver este problema, Gurian e seu coautor Simon May, ex-pesquisador de pós-doutorado do Perimeter e agora pesquisador preparado para ERC 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 menos poder de computação. Também está disponível publicamente para outros pesquisadores.
“Anteriormente, se você quisesse examinar diferentes parâmetros de matéria escura autointeragente, você precisava usar este modelo fluido realmente simplificado, ou entrar em um cluster, que é computacionalmente caro. Este 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 nas interações da matéria escura tem crescido nos últimos anos, em parte porque estão surgindo características intrigantes em galáxias que podem não se enquadrar no Modelo Padrão.
“Tem havido um interesse considerável recentemente em modelos de interação da matéria escura devido à descoberta de possíveis anomalias nas observações de galáxias que podem exigir nova física na região escura”, disse Neal Dalal, investigador do Instituto Perimeter.
“Anteriormente não era possível realizar cálculos precisos da formação da estrutura cósmica neste tipo de modelo, 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. “Seu artigo deverá permitir uma ampla gama de estudos que antes eram intratáveis.”
Impacto nos buracos negros e além
O colapso dos núcleos de matéria escura é de particular interesse 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? É isso que realmente queremos fazer – estudar as fases do buraco negro após a sua formação.”
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.
