Investigadores del Perimeter Institute han creado una nueva herramienta computacional para modelar la materia oscura autointeractuante, abordando una laguna en simulaciones anteriores. Esta innovación permite estudios más rápidos y precisos sobre cómo tal materia oscura influye en la formación de galaxias. El trabajo, publicado en Physical Review Letters, podría revelar ideas sobre estructuras cósmicas y orígenes de agujeros negros.
Durante casi un siglo, la materia oscura ha desconcertado a los cosmólogos debido a su papel gravitacional invisible en la formación de galaxias y la estructura a gran escala del universo. En un estudio publicado en Physical Review Letters, James Gurian, becario postdoctoral en el Perimeter Institute, y Simon May, ahora ERC Preparative Fellow en la Universidad de Bielefeld, presentan KISS-SIDM, un nuevo código para simular materia oscura autointeractuante (SIDM). La SIDM consiste en partículas que colisionan elásticamente entre sí pero no con la materia bariónica ordinaria. Estas interacciones pueden provocar un colapso gravotérmico en los halos de materia oscura, vastos cúmulos que rodean las galaxias y que son más densos que la densidad media del universo pero relativamente difusos. «La materia oscura forma cúmulos relativamente difusos que siguen siendo mucho más densos que la densidad media del universo», explica Gurian. «La Vía Láctea y otras galaxias viven en estos halos de materia oscura». El proceso implica el transporte de energía: las autointeracciones mueven la energía hacia afuera, calentando y densificando el núcleo del halo. «Tienes esta materia oscura autointeractuante que transporta energía, y tiende a transportarla hacia afuera en estos halos», dice Gurian. «Esto lleva a que el núcleo interior se caliente y densifique realmente a medida que la energía se transporta hacia afuera». Con el tiempo, esto puede culminar en un colapso del núcleo, potencialmente relacionado con la formación de agujeros negros. Las simulaciones anteriores se quedaron cortas en el régimen intermedio entre colisiones escasas e infrecuentes (manejadas por métodos N-body) y densas y frecuentes (aptas para modelos de fluidos). «Pero para el intermedio, no había un buen método», señala Gurian. KISS-SIDM cierra esta brecha, ofreciendo precisión con demandas computacionales mínimas: se ejecuta en un portátil y está disponible públicamente. «Antes, si querías comprobar diferentes parámetros para la materia oscura autointeractuante, tenías que usar este modelo de fluido realmente simplificado o ir a un clúster, que es computacionalmente caro. Este código es más rápido y puedes ejecutarlo en tu portátil», añade Gurian. La herramienta gana relevancia de observaciones recientes de galaxias que sugieren anomalías que los modelos estándar de materia oscura no pueden explicar. Neal Dalal, miembro del profesorado del Perimeter Institute, elogia el avance: «Su artículo debería permitir un amplio espectro de estudios que previamente eran intratables». Sin embargo, persisten preguntas, como el punto final del colapso. «La pregunta fundamental es, ¿cuál es el punto final de este colapso? Eso es lo que realmente quisiéramos hacer: estudiar la fase después de formar un agujero negro», dice Gurian. Este desarrollo abre puertas para investigar el papel de la materia oscura en la evolución cósmica, potencialmente reconfigurando las comprensiones de galaxias y agujeros negros.