Revelan un nuevo modelo sobre el colapso de los halos de materia oscura

Durante casi un siglo, la materia oscura ha sido uno de los grandes enigmas de la cosmología. Aunque no puede ser observada directamente, su influencia gravitacional es fundamental para la formación de galaxias y la estructura del universo. Recientemente, dos físicos del Perimeter Institute, James Gurian y Simon May, presentaron un nuevo enfoque para simular una forma particular de materia oscura conocida como materia oscura auto-interactuante (SIDM), que podría cambiar nuestra comprensión sobre cómo se desarrollan las estructuras cósmicas.

En su investigación, publicada en Physical Review Letters, los científicos introdujeron una herramienta computacional que permite estudiar cómo la SIDM afecta la formación de galaxias. Este nuevo enfoque facilita la exploración de interacciones de partículas que antes eran difíciles de modelar con precisión.

Interacciones de la materia oscura

La SIDM es una forma teórica de materia oscura cuyos partículas pueden colisionar entre sí, pero no interactúan con la materia baryónica, que es la materia común compuesta por protones, neutrones y electrones. Estas colisiones conservan energía a través de lo que los físicos denominan auto-interacciones elásticas. Este comportamiento puede influir significativamente en los halos de materia oscura, que son concentraciones masivas de materia oscura que rodean a las galaxias y guían su evolución.

Según Gurian, "la materia oscura forma agrupaciones relativamente difusas que son mucho más densas que la densidad promedio del universo. La Vía Láctea y otras galaxias residen en estos halos de materia oscura".

Colapso gravotérmico

La naturaleza auto-interactuante de la SIDM puede desencadenar un proceso conocido como colapso gravotérmico dentro de los halos de materia oscura. Este fenómeno surge de una propiedad contraintuitiva de la gravedad, donde los sistemas ligados por gravedad se calientan a medida que pierden energía, en lugar de enfriarse.

Gurian explicó: "Tienes esta materia oscura auto-interactuante que transporta energía, y tiende a transportarla hacia afuera en estos halos. Esto lleva a que el núcleo interno se caliente y se densifique a medida que la energía se transporta hacia afuera". Con el tiempo, este proceso puede llevar al núcleo del halo hacia un colapso dramático.

Un avance en la simulación de la materia oscura

Simular las estructuras formadas por la SIDM ha sido un desafío durante mucho tiempo. Los métodos existentes funcionan bien solo bajo ciertas condiciones. Algunos simuladores son efectivos cuando la materia oscura es escasa y las colisiones son raras, mientras que otros son útiles cuando la materia oscura es extremadamente densa y las interacciones son frecuentes.

Gurian comentó: "Un enfoque es una simulación de N-cuerpos que funciona muy bien cuando la materia oscura no es muy densa y las colisiones son infrecuentes. El otro enfoque es un modelo fluido, que funciona cuando la materia oscura es muy densa y las colisiones son frecuentes. Pero para el intermedio, no había un buen método".

Para abordar este problema, Gurian y May desarrollaron un nuevo código llamado KISS-SIDM. Este software conecta los métodos de simulación existentes, ofreciendo mayor precisión y requiriendo mucho menos poder computacional. Además, está disponible públicamente para otros investigadores.

Gurian destacó: "Antes, si querías verificar diferentes parámetros para la materia oscura auto-interactuante, necesitabas usar un modelo fluido muy simplificado o recurrir a un clúster, lo cual es costoso computacionalmente. Este código es más rápido y se puede ejecutar en tu laptop".

Implicaciones para los agujeros negros

El colapso de los núcleos de materia oscura es especialmente intrigante porque podría dejar firmas observables, incluyendo posibles conexiones con la formación de agujeros negros. Sin embargo, cómo termina este proceso sigue siendo una pregunta abierta.

Gurian concluyó: "La pregunta fundamental es, ¿cuál es el punto final de este colapso? Eso es lo que realmente nos gustaría estudiar: la fase después de formar un agujero negro". Al permitir explorar estas condiciones extremas en detalle, el nuevo código representa un paso importante hacia la respuesta de algunas de las preguntas más profundas sobre la materia oscura y la estructura del universo.