Peneliti di Perimeter Institute telah menciptakan alat komputasi baru untuk memodelkan materi gelap yang berinteraksi sendiri, mengatasi kekurangan dalam simulasi sebelumnya. Inovasi ini memungkinkan studi yang lebih cepat dan akurat tentang bagaimana materi gelap tersebut memengaruhi pembentukan galaksi. Karya ini, yang diterbitkan di Physical Review Letters, dapat mengungkap wawasan tentang struktur kosmik dan asal-usul lubang hitam.
Selama hampir satu abad, materi gelap telah membingungkan para kosmolog karena perannya yang tidak terlihat namun gravitasi dalam membentuk galaksi dan struktur skala besar alam semesta. Dalam sebuah studi yang diterbitkan di Physical Review Letters, James Gurian, seorang rekan postdoctoral di Perimeter Institute, dan Simon May, sekarang ERC Preparative Fellow di Universitas Bielefeld, memperkenalkan KISS-SIDM, kode baru untuk mensimulasikan materi gelap yang berinteraksi sendiri (SIDM). SIDM terdiri dari partikel yang bertabrakan secara elastis satu sama lain tetapi tidak dengan materi barionik biasa. Interaksi ini dapat mendorong kolaps gravotermal di halo materi gelap—gumpalan besar yang mengelilingi galaksi yang lebih padat daripada rata-rata alam semesta tetapi relatif menyebar. «Materi gelap membentuk gumpalan yang relatif menyebar yang masih jauh lebih padat daripada kepadatan rata-rata alam semesta», jelas Gurian. «Bima Sakti dan galaksi lain hidup di halo materi gelap ini». Prosesnya melibatkan transportasi energi: interaksi diri memindahkan energi ke luar, memanaskan dan memadatkan inti halo. «Anda memiliki materi gelap yang berinteraksi sendiri ini yang mengangkut energi, dan cenderung mengangkut energi ke luar di halo ini», kata Gurian. «Ini menyebabkan inti dalam menjadi sangat panas dan padat saat energi diangkut ke luar». Seiring waktu, ini dapat berujung pada kolaps inti, yang berpotensi terkait dengan pembentukan lubang hitam. Simulasi sebelumnya kurang dalam rezim menengah antara tabrakan jarang dan jarang (ditangani oleh metode N-body) dan yang padat dan sering (cocok untuk model fluida). «Tapi untuk yang di antaranya, tidak ada metode yang baik», catat Gurian. KISS-SIDM menjembatani kesenjangan ini, menawarkan presisi dengan tuntutan komputasi minimal—berjalan di laptop dan tersedia secara publik. «Sebelumnya, jika Anda ingin memeriksa parameter berbeda untuk materi gelap yang berinteraksi sendiri, Anda perlu menggunakan model fluida yang sangat disederhanakan ini, atau pergi ke kluster, yang mahal secara komputasi. Kode ini lebih cepat, dan Anda bisa menjalankannya di laptop Anda», tambah Gurian. Alat ini menjadi relevan dari pengamatan galaksi baru-baru ini yang menunjukkan anomali yang tidak dapat dijelaskan oleh model materi gelap standar. Neal Dalal, anggota fakultas Perimeter Institute, memuji kemajuan ini: «Makalah mereka seharusnya memungkinkan berbagai studi yang sebelumnya tidak dapat diatasi». Namun pertanyaan tetap ada, seperti akhir dari kolaps tersebut. «Pertanyaan mendasar adalah, apa akhir akhir dari kolaps ini? Itulah yang benar-benar ingin kami lakukan—mempelajari fase setelah membentuk lubang hitam», kata Gurian. Perkembangan ini membuka pintu untuk menyelidiki peran materi gelap dalam evolusi kosmik, berpotensi mengubah pemahaman kita tentang galaksi dan lubang hitam.