Embora os pesquisadores tenham estudado a matéria escura e tentado observá-la, sua natureza é um antigo mistério científico. O modelo cosmológico padrão sugere que aproximadamente um quarto da energia cosmológica e da matéria é quase imune às interações eletromagnéticas, portanto, a única maneira de observá-lo é estudar seus efeitos gravitacionais. Contudo, o tipo de partículas que compõem a matéria escura ainda é um assunto de debate.

Uma teoria que recebeu atenção considerável ao longo da última década ou mais levanta a hipótese de que a matéria escura é pelo menos parcialmente composta de partículas ultraleves (ou seja, muito mais leve que elétrons, por exemplo). Essas partículas diferem das partículas comuns de várias maneiras. Por exemplo, seus elétrons, prótons ou nêutrons, que constituem todos os elementos da tabela periódica, são férmions. Como resultado, as partículas têm um spin meio inteiro, que é igual a metade.

As partículas ultraleves propostas como candidatas à matéria escura são conhecidas como bósons. Os bósons têm um spin inteiro, o que significa que poderia ser, por exemplo, zero ou um. A principal diferença entre férmions e bósons é que os férmions seguem o chamado princípio de exclusão de Pauli, que afirma que dois férmions iguais não podem estar no mesmo lugar, enquanto eles se repelem. Por outro lado, bósons podem se agrupar uns sobre os outros, às vezes até mesmo formando objetos macroscópicos compostos de um número astronômico de bósons iguais.

Investigadores da Universidade de Lisboa, A Universitat de València e a Universidade de Aveiro realizaram recentemente um estudo fascinante explorando a dinâmica das estrelas bosônicas giratórias, que são estrelas formadas a partir de aglomerados de bósons ultraleves. Seu papel, publicado em Cartas de revisão física , fornece novos insights valiosos sobre a dinâmica de diferentes tipos de estrelas bosônicas giratórias.

"Se os bósons são ultraleves, eles podem formar objetos com a massa de uma estrela como o sol ou ainda mais massiva, "os pesquisadores disseram ao Phys.org por e-mail." Estas estrelas, chamadas estrelas bosônicas, podem estar espalhados por todo o universo, constituindo parte (ou toda) da matéria escura. A questão é se essas estrelas são estáveis. "

Estudos anteriores demonstraram que, quando as estrelas não estão girando, eles são estáveis. Contudo, à medida que o sol e todas as estrelas e planetas conhecidos em nossa galáxia giram em torno de seus eixos, espera-se que outras estrelas o façam, também.

"A questão persistente era se as estrelas bosônicas em rotação são estáveis, "disseram os pesquisadores." Nosso artigo responde a essa pergunta e a resposta é mais rica do que o previsto. "

Geral, estrelas bosônicas podem ser bastante compactas, o que significa que sua massa está contida em um pequeno espaço. Por causa dessa qualidade particular, essas estrelas são melhor descritas usando a teoria da relatividade geral de Albert Einstein, em vez da gravidade newtoniana.

Em seu estudo, os investigadores da Universidade de Lisboa, A Universitat de València e a Universidade de Aveiro realizaram uma série de simulações da relatividade numérica usando uma plataforma gratuita chamada Einstein Toolkit. Apesar dessas simulações, eles resolveram numericamente as equações da relatividade geral, que descrevem o comportamento da gravidade, bem como as correspondentes equações de evolução para a matéria que compõe as estrelas bosônicas.

"Realizar evoluções numéricas requer dados iniciais corretos que descrevem como os campos gravitacionais e de matéria estão em algum momento inicial, "os pesquisadores explicaram." Portanto, consideramos dois cenários. No primeiro cenário, uma grande nuvem da matéria bosônica correspondente está prestes a entrar em colapso para (potencialmente) formar uma estrela giratória. No segundo cenário, começamos com uma estrela em equilíbrio para avaliar se ela é robusta contra perturbações, ou, por outro lado, se estiver instável. "

Estrelas bosônicas giratórias podem ter morfologias diferentes. Se a partícula de que são feitos tiver spin igual a zero, eles são chamados de estrelas escalares. Por outro lado, se esta partícula tem um spin igual a um, eles são chamados de estrelas vetoriais.

A teoria da relatividade geral de Einstein descreve estrelas bosônicas quando são compactas, prever que estrelas escalares rotativas têm uma forma semelhante a uma rosquinha (ou seja, toro). A mesma teoria prevê que estrelas vetoriais têm uma forma que é mais comum para rotação, estrelas mais ou menos esféricas, mas ligeiramente achatado nos pólos (ou seja, esferoidal), como o do planeta Terra.

Interessantemente, as simulações numéricas e análises realizadas pelos pesquisadores mostram que quando as estrelas toroidais são ligeiramente perturbadas, eles eventualmente se quebram em pedaços. Algumas dessas peças são então afastadas, tomando o momento angular da estrela.

"O resultado final é uma fissão total da estrela original, ou em alguns casos, o relaxamento da estrela original para um isqueiro, estrela não rotativa, ou ainda, Em outros casos, o colapso total da estrela em um buraco negro, "disseram os pesquisadores." No caso de estrelas esferoidais, por outro lado, eles são robustos a perturbações, como as estrelas normais conhecidas no universo. "

Os pesquisadores reuniram descobertas interessantes que podem lançar alguma luz sobre a dinâmica das estrelas bosônicas. Talvez ainda mais notável, Contudo, o estudo sugere que a detecção de estrelas ultraleves giratórias de matéria escura poderia ajudar a entender melhor a natureza das partículas que compõem a matéria escura, particularmente sua rotação. No futuro, os pesquisadores planejam realizar pesquisas adicionais com foco na instabilidade de estrelas escalares bosônicas giratórias, considerando um tipo mais complexo de partícula que pode interagir com ela mesma.

"Essas auto-interações são sugeridas por alguns modelos de matéria escura e física de alta energia, "os pesquisadores explicaram." A questão que estamos interessados ​​em explorar é:eles podem extinguir a instabilidade? Além disso, gostaríamos de avaliar se a instabilidade está intrinsecamente relacionada à morfologia. Isso é, se as estrelas toroidais são sempre instáveis. Para fazer isso, estamos analisando alguns modelos mais complicados de estrelas vetoriais giratórias que podem assumir a forma toroidal para testar se também são instáveis. "

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