Por quase 100 anos, a matéria escura tem permanecido uma das maiores questões não respondidas em cosmologia. Embora não possa ser vista diretamente, sua influência gravitacional molda as galáxias e a estrutura em grande escala do universo. No Instituto Perimeter, dois físicos estão investigando como uma forma particular de matéria escura, conhecida como matéria escura auto-interativa (SIDM), pode influenciar a forma como as estruturas cósmicas se desenvolvem e mudam ao longo do tempo.
No estudo publicado na Physical Review Letters, James Gurian e Simon May introduzem uma nova ferramenta computacional projetada para estudar como a SIDM afeta a formação de galáxias. Sua abordagem torna possível explorar tipos de interações de partículas que anteriormente eram difíceis ou impraticáveis de modelar com precisão.
Quando a Matéria Escura Interage Consigo Mesma
A SIDM é uma forma teórica de matéria escura cujas partículas podem colidir entre si, mas não interagem com a matéria bariônica, a matéria familiar composta de prótons, nêutrons e elétrons. Essas colisões conservam energia através do que os físicos chamam de auto-interações elásticas. Esse comportamento pode influenciar fortemente os halos de matéria escura, as concentrações massivas de matéria escura que cercam galáxias e ajudam a guiar sua evolução.
“A matéria escura forma aglomerados relativamente difusos, que ainda são muito mais densos do que a densidade média do universo,” diz Gurian, um pesquisador pós-doutoral do Perimeter e coautor do estudo. “A Via Láctea e outras galáxias habitam esses halos de matéria escura.”
Calor, Fluxo de Energia e Colapso do Núcleo
A natureza auto-interativa da SIDM pode desencadear um processo conhecido como colapso gravotérmico dentro dos halos de matéria escura. Esse fenômeno surge de uma propriedade contra-intuitiva da gravidade, onde sistemas ligados pela gravidade se aquecem à medida que perdem energia, em vez de se resfriar.
“Você tem essa matéria escura auto-interativa que transporta energia, e tende a transportar energia para fora nesses halos,” diz Gurian. “Isso faz com que o núcleo interno fique realmente quente e denso à medida que a energia é transportada para fora.” Com o tempo, esse processo pode levar o núcleo do halo a um colapso dramático.
Um Elo Perdido na Modelagem da Matéria Escura
Simular as estruturas formadas pela SIDM tem sido um desafio há muito tempo. 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 são eficazes apenas quando a matéria escura é extremamente densa e as interações são frequentes.
“Uma abordagem é uma simulação N-corpo que funciona muito bem quando a matéria escura não é muito densa e as colisões são infrequentes. A outra abordagem é uma abordagem fluida – e isso 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 de intervalo intermediário para passar corretamente entre as partes de baixa densidade e alta densidade. Essa foi a origem deste projeto.”
Uma Ferramenta de Simulação Mais Rápida e Acessível
Para resolver esse problema, Gurian e seu coautor Simon May, um ex-pesquisador pós-doutoral do Perimeter que agora é Fellow Preparativo ERC na Universidade de Bielefeld, desenvolveram um novo código chamado KISS-SIDM. O software preenche a lacuna entre os métodos de simulação existentes, oferecendo maior precisão e exigindo muito menos poder computacional. Ele também está disponível publicamente para outros pesquisadores.
“Antes, se você quisesse verificar diferentes parâmetros para a matéria escura auto-interativa, precisava usar este modelo fluido realmente simplificado ou ir para um cluster, o que é computacionalmente caro. Este código é mais rápido, e você pode rodá-lo no seu laptop,” diz Gurian.
Abrindo a Porta para Nova Física da Matéria Escura
O interesse em modelos de matéria escura interativa cresceu nos últimos anos, em parte devido a características intrigantes observadas em galáxias que podem não se encaixar nos modelos padrão.
“Houve um considerável interesse recentemente em modelos de matéria escura interativa, devido a possíveis anomalias detectadas em observações de galáxias que podem exigir nova física no setor escuro,” diz Neal Dalal, membro do corpo de pesquisa do Instituto Perimeter.
“Anteriormente, não era possível realizar cálculos precisos da formação de estruturas cósmicas nesses tipos 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 conexões com a formação de buracos negros. Contudo, como esse processo termina, permanece uma questão em aberto.
“A questão fundamental é: qual é o ponto final desse colapso? É isso que realmente gostaríamos de fazer – estudar a fase após a formação de um buraco negro.”
Ao tornar possível explorar essas condições extremas em detalhe, o novo código representa um passo importante em direção a responder algumas das questões mais profundas sobre a matéria escura e a estrutura do universo.