Por quase 100 anos, a matéria escura permaneceu como uma das maiores questões sem resposta na cosmologia. Embora não possa ser visto diretamente, a sua influência gravitacional molda as galáxias e a estrutura em grande escala do universo. No Perimeter Institute, dois físicos estão investigando como uma forma específica de matéria escura, conhecida como matéria escura autointeragente (SIDM), pode afetar o modo como as estruturas cósmicas crescem e mudam ao longo do tempo.
Num estudo publicado em Revisão de planilhas físicasJames Gurian e Simon May apresentam uma nova ferramenta computacional projetada para estudar como o SIDM afeta a formação de galáxias. Sua abordagem permite a investigação de 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 por meio do que os físicos chamam de interações elásticas. Este comportamento pode ter um efeito profundo nos halos de matéria escura, as enormes concentrações de matéria escura que rodeiam as galáxias e ajudam a impulsionar 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 gravitérmico em halos de matéria escura. Este fenômeno surge de uma propriedade contra-intuitiva da gravidade, onde os sistemas ligados gravitacionalmente ficam mais quentes à medida que perdem energia em vez de esfriar.
“Temos esta matéria escura autointeragente que transporta energia e tende a transportar energia para fora, para estes 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, esse processo pode causar o colapso dramático do núcleo do halo.
O elo perdido nas simulações de matéria escura
Modelar as estruturas formadas pelo SIDM tem sido uma tarefa desafiadora. 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 são eficazes quando a matéria escura é muito densa e as interações são frequentes.
“Uma abordagem é a simulação de N-corpos, que funciona muito bem quando a matéria escura não é muito densa e as colisões são raras. A outra abordagem é a abordagem suave – e funciona quando a matéria escura é muito densa e as colisões são frequentes.”
“Mas, no período intermediário, não havia um bom método”, diz Gurian. “Você precisa de uma abordagem intermediária para fazer a transição adequada entre as partes de baixa e alta densidade. Esse foi o início deste projeto.”
Uma ferramenta de simulação mais rápida e acessível
Para resolver este problema, Gurian e seu coautor Simon May, um ex-bolsista de pós-doutorado do Perimeter que agora trabalha como bolsista preparatório ERC na Universidade de Bielefeld, desenvolveram um novo código chamado KISS-SIDM. O software preenche a lacuna entre as técnicas de modelagem existentes, proporcionando maior precisão e exigindo significativamente menos poder de processamento. Também está disponível para outros pesquisadores.
“Anteriormente, se você quisesse testar diferentes parâmetros de matéria escura autointeragente, teria que usar este modelo fluido muito 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.
Abrimos a porta para uma nova física da matéria escura
O interesse nas interações da matéria escura tem crescido nos últimos anos, em parte devido às características intrigantes das galáxias que podem não se enquadrar nos modelos padrão.
“Recentemente, tem havido um interesse considerável na interação de modelos de matéria escura devido a possíveis anomalias detectadas em observações de galáxias que podem exigir nova física no setor escuro”, diz Neal Dalal, membro do corpo docente de pesquisa do Perimeter Institute.
“Anteriormente, era impossível realizar cálculos precisos da formação da estrutura cósmica em tais 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. “Seu artigo deve permitir uma ampla gama de pesquisas que antes eram intratáveis.”
Implicações para buracos negros e além
O colapso dos núcleos de matéria escura é particularmente intrigante porque pode deixar assinaturas observáveis, incluindo uma possível ligação à formação de buracos negros. No entanto, como esse processo acabará 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 permitir que estas condições extremas sejam investigadas 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.
