Pesquisadores do Perimeter Institute criaram uma nova ferramenta computacional para modelar matéria escura autointeragente, abordando uma lacuna em simulações anteriores. Essa inovação permite estudos mais rápidos e precisos sobre como tal matéria escura influencia a formação de galáxias. O trabalho, publicado em Physical Review Letters, pode revelar insights sobre estruturas cósmicas e origens de buracos negros.
Por quase um século, a matéria escura tem intrigado cosmólogos devido ao seu papel gravitacional invisível na formação de galáxias e na estrutura em grande escala do universo. Em um estudo publicado em Physical Review Letters, James Gurian, bolsista de pós-doutorado no Perimeter Institute, e Simon May, agora ERC Preparative Fellow na Universidade de Bielefeld, introduzem KISS-SIDM, um novo código para simular matéria escura autointeragente (SIDM). A SIDM consiste em partículas que colidem elasticamente umas com as outras, mas não com matéria bariônica comum. Essas interações podem impulsionar o colapso gravotérmico em halos de matéria escura — vastos aglomerados que cercam galáxias, mais densos que a média do universo, mas relativamente difusos. «A matéria escura forma aglomerados relativamente difusos que ainda são muito mais densos que a densidade média do universo», explica Gurian. «A Via Láctea e outras galáxias vivem nesses halos de matéria escura». O processo envolve transporte de energia: as autointerações movem energia para fora, aquecendo e densificando o núcleo do halo. «Você tem essa matéria escura autointeragente que transporta energia, e tende a transportá-la para fora nesses halos», diz Gurian. «Isso leva ao núcleo interno ficando realmente quente e denso à medida que a energia é transportada para fora». Com o tempo, isso pode culminar em colapso do núcleo, potencialmente ligado à formação de buracos negros. Simulações anteriores falharam no regime intermediário entre colisões esparsas e infrequentes (tratadas por métodos N-body) e densas e frequentes (adequadas a modelos de fluido). «Mas para o meio-termo, não havia um bom método», nota Gurian. O KISS-SIDM preenche essa lacuna, oferecendo precisão com demandas computacionais mínimas — roda em um laptop e está disponível publicamente. «Antes, se você quisesse testar diferentes parâmetros para matéria escura autointeragente, precisava usar esse modelo de fluido realmente simplificado ou ir para um cluster, que é computacionalmente caro. Esse código é mais rápido, e você pode rodá-lo no seu laptop», adiciona Gurian. A ferramenta ganha relevância de observações recentes de galáxias sugerindo anomalias que modelos padrão de matéria escura não explicam. Neal Dalal, membro do corpo docente do Perimeter Institute, elogia o avanço: «O artigo deles deve permitir um amplo espectro de estudos que anteriormente eram intratáveis». No entanto, questões persistem, como o ponto final do colapso. «A questão fundamental é, qual é o ponto final desse colapso? É isso que realmente gostaríamos de fazer — estudar a fase após formar um buraco negro», diz Gurian. Esse desenvolvimento abre portas para sondar o papel da matéria escura na evolução cósmica, potencialmente remodelando entendimentos de galáxias e buracos negros.