Un avance significativo ha permitido a físicos desentrañar el misterioso colapso de halos de materia oscura, estructuras clave en la formación de galaxias. Una nueva simulación aborda cómo la materia oscura autointeractuante moldea el cosmos, ofreciendo una visión sin precedentes sobre uno de los mayores enigmas de la cosmología.
Durante casi un siglo, la materia oscura ha permanecido como una de las preguntas más grandes sin respuesta en la cosmología. Aunque no se puede observar directamente, su influencia gravitacional moldea las galaxias y la estructura a gran escala del universo.
En el Perimeter Institute, los físicos James Gurian y Simon May están investigando cómo una forma particular de materia oscura, conocida como materia oscura autointeractuante (SIDM), puede influir en el crecimiento y cambio de las estructuras cósmicas a lo largo del tiempo.
Su investigación, publicada en Physical Review Letters, introduce una nueva herramienta computacional diseñada para estudiar cómo la SIDM afecta la formación de galaxias.
Este enfoque hace posible explorar tipos de interacciones de partículas que antes eran difíciles o poco prácticas de modelar con precisión, llenando una brecha crucial en la capacidad de simulación cosmológica.
El enigma de la materia oscura autointeractuante
La materia oscura autointeractuante (SIDM) es una forma teórica de materia oscura cuyas partículas pueden chocar entre sí. No interactúa, sin embargo, con la materia bariónica, la que conocemos, hecha de protones, neutrones y electrones.
Estas colisiones conservan energía a través de autointeracciones elásticas, un comportamiento que puede influir fuertemente en los halos de materia oscura. Estos son concentraciones masivas que rodean las galaxias y guían su evolución.
La naturaleza autointeractuante de la SIDM puede desencadenar un proceso conocido como colapso gravotermal dentro de los halos de materia oscura.
Este fenómeno surge de una propiedad contraintuitiva de la gravedad, donde los sistemas ligados por la gravedad se calientan al perder energía, en lugar de enfriarse, como explica Gurian en la investigación destacada por ScienceDaily.com.
«Se tiene esta materia oscura autointeractuante que transporta energía, y tiende a transportarla hacia afuera en estos halos», afirma James Gurian, becario postdoctoral del Perimeter Institute.
Esto lleva a que el núcleo interno se caliente y se vuelva muy denso a medida que la energía se transporta hacia afuera. Con el tiempo, este proceso puede llevar al núcleo del halo hacia un colapso dramático, con implicaciones profundas para la estructura cósmica.
Una simulación que redefine la cosmología
Simular las estructuras formadas por la SIDM ha sido un desafío persistente. Los métodos existentes solo funcionaban bien bajo ciertas condiciones: algunos para materia oscura dispersa y colisiones raras, otros para materia oscura extremadamente densa e interacciones frecuentes.
James Gurian y su coautor Simon May, exinvestigador postdoctoral del Perimeter Institute y ahora en la Universidad de Bielefeld, desarrollaron un nuevo código llamado KISS-SIDM.
Este software cierra la brecha entre los métodos de simulación existentes, ofreciendo mayor precisión con mucha menos potencia computacional. Es, además, de acceso público para otros investigadores, democratizando la investigación en este campo.
«Antes, si querías verificar diferentes parámetros para la materia oscura autointeractuante, necesitabas usar un modelo de fluido muy simplificado o recurrir a un clúster, lo cual es computacionalmente costoso», explica Gurian.
«Este código es más rápido y puedes ejecutarlo en tu computadora portátil», lo que representa un avance significativo en la accesibilidad y eficiencia de la investigación cosmológica.
El interés en los modelos de materia oscura interactuante ha crecido, en parte debido a características desconcertantes observadas en galaxias que podrían no encajar en los modelos estándar.
Neal Dalal, miembro de la facultad de investigación del Perimeter Institute, señala que «anteriormente, no era posible realizar simulaciones precisas» de ciertos aspectos cruciales.
El nuevo código KISS-SIDM no solo resuelve un problema técnico crucial, sino que también abre la puerta a nuevas físicas en el sector oscuro. Esto promete desvelar más secretos sobre la arquitectura fundamental de nuestro universo.
La comprensión del colapso de halos de materia oscura podría, de hecho, redefinir nuestra visión de la formación galáctica y el origen de fenómenos tan extremos como los agujeros negros.
