Uma equipe de pesquisa liderada por físicos da Universidade da Califórnia, Riverside, relata que minúsculas galáxias satélites da Via Láctea podem ser usadas para testar propriedades fundamentais da "matéria escura" - material não luminoso que se acredita constituir 85% da matéria no universo.

Usando simulações sofisticadas, os pesquisadores mostram uma teoria chamada matéria escura de interação automática, ou SIDM, pode explicar de forma convincente as diversas distribuições de matéria escura em Draco e Fornax, duas das mais de 50 galáxias satélites descobertas da Via Láctea.

A teoria prevalecente da matéria escura, chamado Cold Dark Matter, ou CDM, explica muito do universo, incluindo como as estruturas surgem nele. Mas um desafio de longa data para o MDL tem sido explicar as diversas distribuições de matéria escura nas galáxias.

Os pesquisadores, liderado por Hai-Bo Yu e Laura V. Sales da UC Riverside, estudou a evolução dos "subhalos" SIDM no "campo de marés" da Via Láctea - o gradiente no campo gravitacional da Via Láctea que uma galáxia satélite sente na forma de uma força de maré. Subhalos são aglomerados de matéria escura que hospedam as galáxias satélites.

"Descobrimos que o SIDM pode produzir diversas distribuições de matéria escura nos halos de Draco e Fornax, de acordo com as observações, "disse Yu, um professor associado de física e astronomia e um físico teórico com experiência em propriedades de partículas de matéria escura. “No SIDM, a interação entre o subhalos e as marés da Via Láctea leva a distribuições de matéria escura mais diversas nas regiões internas do subhalos, em comparação com suas contrapartes do MDL. "

Draco e Fornax têm extremos opostos em seus conteúdos internos de matéria escura. Draco tem a maior densidade de matéria escura entre as nove galáxias satélites da Via Láctea; Fornax tem o mais baixo. Usando medições astronômicas avançadas, astrofísicos reconstruíram recentemente suas trajetórias orbitais no campo de marés da Via Láctea.

"Nosso desafio era entender a origem das diversas distribuições de matéria escura de Draco e Fornax à luz dessas novas trajetórias orbitais medidas, "Yu disse." Descobrimos que o SIDM pode fornecer uma explicação depois de considerar os efeitos das marés e as auto-interações da matéria escura. "

Os resultados do estudo aparecem em Cartas de revisão física .

A natureza da matéria escura permanece amplamente desconhecida. Ao contrário da matéria normal, não absorve, refletir, ou emitem luz, dificultando a detecção. Identificar a natureza da matéria escura é uma tarefa central na física de partículas e na astrofísica.

No CDM, partículas de matéria escura são consideradas sem colisão, e cada galáxia fica dentro de um halo de matéria escura que forma a estrutura gravitacional que a mantém unida. No SIDM, a matéria escura é proposta para interagir automaticamente por meio de uma nova força escura. Partículas de matéria escura são consideradas colidirem fortemente umas com as outras no halo interno, próximo ao centro da galáxia - um processo chamado autointeração de matéria escura.

"Nosso trabalho mostra que as galáxias satélites da Via Láctea podem fornecer testes importantes de diferentes teorias da matéria escura, "disse Sales, professor assistente de física e astronomia e astrofísico com experiência em simulações numéricas da formação de galáxias. "Nós mostramos que a interação entre as auto-interações da matéria escura e as interações das marés podem produzir novas assinaturas no SIDM que não são esperadas na teoria do MDL prevalecente."

Em seu trabalho, os pesquisadores usaram principalmente simulações numéricas, chamado de "simulações de N-body, "e obtiveram uma intuição valiosa por meio de modelagem analítica antes de executar suas simulações.

"Nossas simulações revelam uma nova dinâmica quando um subhalo SIDM evolui no campo de marés, "disse Omid Sameie, um ex-aluno de graduação da UCR que trabalhou com Yu e Sales e agora é um pesquisador de pós-doutorado na Universidade do Texas em Austin, trabalhando em simulações numéricas da formação de galáxias. "Pensava-se que as observações do Draco eram inconsistentes com as previsões do SIDM. Mas descobrimos que um subhalo no SIDM pode produzir uma alta densidade de matéria escura para explicar o Draco."

Sales explicou que o SIDM prevê um fenômeno único denominado "colapso do núcleo". Em certas circunstâncias, a parte interna do halo colapsa sob a influência da gravidade e produz uma alta densidade. Isso é contrário à expectativa usual de que as auto-interações da matéria escura levem a um halo de baixa densidade. Sales disse que as simulações da equipe identificam as condições para que o colapso do núcleo ocorra no subhalos.

"Para explicar a alta densidade de matéria escura de Draco, sua concentração inicial de halo precisa ser alta, "ela disse." Mais massa de matéria escura precisa ser distribuída no halo interno. Embora isso seja verdade para CDM e SIDM, para o SIDM, o fenômeno do colapso do núcleo só pode ocorrer se a concentração for alta, de modo que a escala de tempo do colapso seja menor que a idade do universo. Por outro lado, Fornax tem um subhalo de baixa concentração, e, portanto, sua densidade permanece baixa. "

Os pesquisadores enfatizaram que seu trabalho atual se concentra principalmente no SIDM e não faz uma avaliação crítica sobre o quão bem o CDM pode explicar Draco e Fornax.

Depois que a equipe usou simulações numéricas para levar em consideração a interação dinâmica entre as autointerações da matéria escura e as interações das marés, os pesquisadores observaram um resultado surpreendente.

"A matéria escura central de um subhalo SIDM pode estar aumentando, ao contrário das expectativas usuais, "Sameie disse." Mais importante, nossas simulações identificam condições para que esse fenômeno ocorra no SIDM, e mostramos que pode explicar as observações de Draco. "

A equipe de pesquisa planeja estender o estudo a outras galáxias satélites, incluindo galáxias ultra-apagadas.