Gêmeos idênticos são semelhantes entre si de muitas maneiras, mas eles têm experiências diferentes, amigos, e estilos de vida.

Este conceito é executado em uma escala cosmológica por galáxias. Duas galáxias que à primeira vista parecem muito semelhantes e efetivamente idênticas podem ter regiões internas girando em taxas muito diferentes - o análogo galáctico de gêmeos com estilos de vida diferentes.

Uma equipe de físicos, liderado por Hai-Bo Yu, da Universidade da Califórnia, Riverside, encontrou uma explicação simples e viável para essa diversidade.

Cada galáxia fica dentro de um halo de matéria escura que forma a estrutura gravitacional que a mantém unida. A distribuição da matéria escura neste halo pode ser inferida a partir do movimento das estrelas e partículas de gás na galáxia.

Yu e seus colegas relatam em Cartas de revisão física que diversas curvas de rotação galáctica, um gráfico de velocidades de rotação em diferentes distâncias do centro, pode ser explicado naturalmente se as partículas de matéria escura colidirem fortemente umas com as outras no halo interno, próximo ao centro da galáxia - um processo chamado autointeração de matéria escura.

"Na teoria prevalecente da matéria escura, chamado Cold Dark Matter ou CDM, partículas de matéria escura são consideradas sem colisão, além da gravidade, "disse Yu, um professor assistente de física de partículas teórica e astrofísica, quem liderou a pesquisa. "Invocamos uma teoria diferente, o modelo de matéria escura auto-interagente ou SIDM, para mostrar que as auto-interações de matéria escura termalizam o halo interno, que une as distribuições de matéria comum e escura de modo que se comportem como uma unidade coletiva. O halo de matéria escura auto-interagente torna-se então flexível o suficiente para acomodar as diversas curvas de rotação observadas. "

Yu explicou que as colisões de matéria escura ocorrem no denso halo interno, onde a galáxia luminosa está localizada. Quando as partículas colidem, eles trocam energia e se termalizam. Para galáxias de baixa luminosidade, o processo de termalização aquece as partículas internas de matéria escura e as empurra para fora da região central, reduzindo a densidade, análogo a uma máquina de pipoca em que os grãos batem uns nos outros enquanto estouram, fazendo com que voem da parte inferior da máquina. Para galáxias de alta luminosidade, como a Via Láctea, a termalização puxa as partículas para o poço de potencial profundo da matéria luminosa e aumenta a densidade da matéria escura. Além disso, a história da montagem cosmológica dos halos também desempenha um papel na geração da diversidade observada.

"Nosso trabalho demonstra que a matéria escura pode ter interações pessoais fortes, um desvio radical da teoria prevalecente, "Yu disse." Isso explica bem a diversidade observada de curvas giratórias galácticas, embora seja consistente com outras observações cosmológicas. "

A matéria escura constitui cerca de 85 por cento da matéria no universo, mas sua natureza permanece amplamente desconhecida, apesar de sua marca gravitacional inconfundível em observações astronômicas e cosmológicas. A maneira convencional de estudar a matéria escura é assumir que ela tem algum adicional, interação não gravitacional com matéria visível que pode ser estudada em laboratório. Os físicos não sabem, Contudo, se tal interação entre a matéria escura e a visível ainda existe.

Na última década, Yu foi o pioneiro em uma nova linha de pesquisa baseada na seguinte premissa:Deixando de lado se a matéria escura interage com a matéria visível, o que acontecerá se a matéria escura interagir com ela mesma por meio de alguma nova força escura?

Yu postulou que a nova força escura afetaria a distribuição de matéria escura no halo de cada galáxia. Ele percebeu que há realmente uma discrepância entre o MDL e as observações astronômicas que poderiam ser resolvidas se a matéria escura interage automaticamente.

“A compatibilidade desta hipótese com as observações é um grande avanço na área, "disse Flip Tanedo, professor assistente de física teórica de partículas na UC Riverside, que não participou da pesquisa. "O paradigma SIDM é uma ponte entre a física de partículas fundamental e a astronomia observacional. A consistência com as observações é um grande indício de que esta proposta tem uma chance de ser correta e estabelece as bases para observações futuras, experimental, numérico, e trabalho teórico. Desta maneira, está abrindo caminho para novas pesquisas interdisciplinares. "

O SIDM foi proposto pela primeira vez em 2000 por um par de astrofísicos eminentes. Ele experimentou um renascimento na comunidade de física de partículas por volta de 2009, auxiliado em parte pelo trabalho-chave de Yu e colaboradores.

"Este é um momento especial para este tipo de pesquisa porque as simulações numéricas de galáxias estão finalmente se aproximando de uma precisão em que podem fazer previsões concretas para comparar as previsões observacionais dos cenários de autointeração e de matéria escura fria, "Tanedo disse." Desta forma, Hai-Bo é o arquiteto da matéria escura moderna com interação automática e como ela mescla vários campos diferentes:física teórica de alta energia, física experimental de alta energia, astronomia observacional, simulações numéricas de astrofísica, e cosmologia do universo inicial e formação de galáxias. "

O artigo de pesquisa é incluído por Cartas de revisão física como uma "sugestão do editor" e destaque também na APS Physics.