Da quasi un secolo la materia oscura auto-interagente rappresenta una delle più grandi domande aperte della cosmologia moderna. Non possiamo osservarla direttamente, ma la sua influenza gravitazionale plasma galassie e strutture cosmiche su larga scala. Presso il Perimeter Institute for Theoretical Physics, due fisici stanno esplorando come questa particolare forma di materia oscura, possa influenzare la crescita e la trasformazione delle strutture cosmiche nel tempo.
In uno studio pubblicato su Physical Review Letters (rif.), James Gurian e Simon May presentano un nuovo strumento computazionale progettato per analizzare come la materia oscura auto-interagente influenzi la formazione delle galassie. Il loro approccio rende finalmente possibile esplorare tipi di interazioni tra particelle che in precedenza erano difficili o impraticabili da modellare con precisione, un passo cruciale per comprendere meglio la materia oscura.
Quando la materia oscura interagisce con sé stessa
La materia oscura auto-interagente è una forma teorica in cui le cui particelle possono collidere tra loro, pur non interagendo con la materia ordinaria composta da protoni, neutroni ed elettroni. Queste collisioni conservano energia attraverso quelle che i fisici chiamano interazioni elastiche interne. Questo comportamento può modificare profondamente gli aloni di materia oscura, enormi concentrazioni invisibili che circondano le galassie e guidano la loro evoluzione.
“La materia oscura forma ammassi relativamente diffusi che sono comunque molto più densi della densità media dell’universo,” afferma Gurian. “La Via Lattea e altre galassie vivono all’interno di questi aloni di materia oscura.” Qui la materia oscura auto-interagente diventa fondamental. La dinamica interna di questi aloni può alterare la distribuzione di massa e quindi il modo in cui le galassie crescono.
La natura di qeusta materia oscura può innescare un fenomeno noto come collasso gravotermico negli aloni. Questo processo deriva da una proprietà controintuitiva della gravità. Sistemi legati gravitazionalmente si riscaldano mentre perdono energia, anziché raffreddarsi. “Hai questa materia oscura auto-interagente che trasporta energia, e tende a trasportarla verso l’esterno negli aloni,” spiega Gurian. “Questo porta il nucleo interno a diventare estremamente caldo e denso mentre l’energia viene trasportata verso l’esterno.” Col tempo, questo meccanismo può spingere il nucleo verso un collasso drammatico. Un evento in cui la questa particolare materia potrebbe giocare un ruolo chiave nella ristrutturazione della galassia ospite.
Un collegamento mancante nella modellazione
Simulare strutture formate da materia oscura auto-interagente è sempre stato complesso. I metodi esistenti funzionavano bene solo in condizioni estreme: o densità molto basse con collisioni rare, oppure densità elevate con interazioni frequenti. “Un approccio è la simulazione N-body, che funziona molto bene quando la materia oscura non è molto densa e le collisioni sono rare. L’altro approccio è quello fluido e questo funziona quando la materia oscura è molto densa e le collisioni sono frequenti”.
“Ma per la regione intermedia non esisteva un buon metodo” dice Gurian. “Serve un approccio intermedio per collegare correttamente le parti a bassa e alta densità. È da qui che è nato il progetto.” La materia oscura auto-interagente richiede quindi strumenti capaci di operare lungo tutto lo spettro delle condizioni fisiche ed è qui che entra in gioco la nuova soluzione.
Per risolvere il problema, Gurian e May hanno sviluppato il codice KISS-SIDM, che colma il divario tra i metodi di simulazione esistenti. Il software offre maggiore accuratezza richiedendo molta meno potenza di calcolo, ed è disponibile pubblicamente per la comunità scientifica. Questo significa che lo studio della materia oscura diventa più accessibile e riproducibile. “Prima, se volevi testare parametri diversi per la materia oscura auto-interagente, dovevi usare un modello fluido molto semplificato o ricorrere a un cluster computazionale costoso. Questo codice è più veloce e può essere eseguito su un laptop” afferma Gurian.
Nuove porte per la fisica della materia oscura
L’interesse verso la materia oscura auto-interagente è cresciuto negli ultimi anni, anche a causa di anomalie osservate nelle galassie che potrebbero richiedere nuova fisica. “Recentemente c’è stato notevole interesse per i modelli di materia oscura interagente, a causa di possibili anomalie rilevate nelle osservazioni galattiche che potrebbero richiedere nuova fisica nel settore oscuro”, afferma Neal Dalal.
“In precedenza non era possibile eseguire calcoli accurati sulla formazione delle strutture cosmiche in questi modelli, ma il metodo sviluppato da James e Simon fornisce una soluzione che finalmente ci consente di simulare l’evoluzione della materia oscura in modelli con interazioni significative,” aggiunge Dalal. “Il loro articolo dovrebbe permettere un ampio spettro di studi prima irrealizzabili”.
Il collasso dei nuclei di materia oscura auto-interagente è particolarmente affascinante perché potrebbe lasciare firme osservabili, incluse possibili connessioni con la formazione dei buchi neri. Tuttavia, l’esito finale del processo resta una questione aperta. “La domanda fondamentale è: qual è il punto finale di questo collasso? È ciò che vogliamo davvero studiare, la fase successiva alla formazione di un buco nero.” Grazie a strumenti come KISS-SIDM, gli scienziati possono ora esplorare condizioni estreme con maggiore precisione. Questo rappresenta un passo importante verso la comprensione della materia oscura auto-interagente e della struttura profonda dell’universo — uno dei grandi misteri ancora aperti della cosmologia.
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