Científicos desarrollan nuevo código para mapear halos de materia oscura

La materia oscura y su impacto en la cosmología han desconcertado a los físicos durante casi un siglo. Ahora, dos investigadores del Instituto Perimeter están intentando comprender mejor cómo un candidato potencial, la materia oscura autointeractuante (SIDM), podría afectar la evolución de las estructuras cósmicas.

James Gurian y Simon May revelaron en su estudio publicado en Physical Review Letters un nuevo código computacional que permite investigar la relación entre la SIDM y la evolución galáctica, facilitando el estudio de interacciones de partículas que eran prácticamente inaccesibles con métodos anteriores.

"La materia oscura forma cúmulos relativamente difusos que son mucho más densos que la densidad promedio del universo", explica Gurian, investigador postdoctoral del Instituto Perimeter y coautor del estudio. "La Vía Láctea y otras galaxias viven en estos halos de materia oscura".

La naturaleza de la SIDM impulsa un proceso llamado colapso gravotérmico dentro de estos halos. Este fenómeno es consecuencia del hecho contraintuitivo de que los sistemas gravitacionalmente unidos se calientan cuando se les quita energía, en lugar de enfriarse.

"Tienes esta materia oscura autointeractuante que transporta energía, y tiende a transportarla hacia afuera en estos halos", señala Gurian. "Esto lleva a que el núcleo interno se vuelva muy caliente y denso a medida que la energía se transporta hacia el exterior", culminando en un colapso gravotérmico del núcleo.

Mapear las estructuras formadas por la SIDM es un desafío, pero los físicos han desarrollado algunos enfoques, cada uno de los cuales funciona mejor para densidades específicas de materia.

"Un enfoque es la simulación de N-cuerpos, que funciona muy bien cuando la materia oscura no es muy densa y las colisiones son poco frecuentes. El otro enfoque es el de fluidos, que funciona cuando la materia oscura es muy densa y las colisiones son frecuentes", explica Gurian. "Pero para el punto intermedio, no existía un buen método. Se necesitaba un enfoque de rango intermedio para pasar correctamente entre las partes de baja y alta densidad. Ese fue el origen de este proyecto".

Gurian y su coautor Simon May, antiguo investigador postdoctoral de Perimeter y actual becario preparatorio del Consejo Europeo de Investigación en la Universidad de Bielefeld, desarrollaron un código para abordar este vacío metodológico. El código, denominado KISS-SIDM, es más rápido y preciso que los códigos anteriores y está disponible públicamente para que los investigadores lo utilicen.

"Antes, si querías comprobar diferentes parámetros para la materia oscura autointeractuante, necesitabas usar este modelo de fluido muy simplificado o recurrir a un clúster computacional, lo que es costoso. Este código es más rápido y puedes ejecutarlo en tu portátil", destaca Gurian.

"Recientemente ha habido un interés considerable en los modelos de materia oscura interactuante, debido a posibles anomalías detectadas en observaciones de galaxias que podrían requerir nueva física en el sector oscuro", comenta Neal Dalal, investigador del Instituto Perimeter.

"Anteriormente, no era posible realizar cálculos precisos de la formación de estructuras cósmicas en estos tipos de modelos, pero el método desarrollado por James y Simon proporciona una solución que finalmente nos permite simular la evolución de la materia oscura en modelos con interacciones significativas", añade Dalal. "Su artículo debería permitir un amplio espectro de estudios que antes eran intratables".

Comprender el proceso de colapso del núcleo también intriga a los físicos porque podría tener implicaciones observables para la formación de agujeros negros. Sin embargo, los detalles de cómo termina el proceso es una cuestión abierta en física, según Gurian. Este código es un paso hacia la respuesta, afirma.

"La pregunta fundamental es: ¿cuál es el punto final de este colapso? Eso es lo que realmente nos gustaría hacer: estudiar la fase posterior a la formación de un agujero negro".