Los investigadores desarrollaron un modelo matemático que describe el movimiento de las partículas de materia oscura dentro de los halos de galaxias más pequeños. Observaron que con el tiempo, la materia oscura puede formar gotitas esféricas de condensado cuántico. Previamente, esto se consideró imposible, ya que se ignoraron las fluctuaciones del campo de gravedad producidas por las partículas de materia oscura. El estudio se publica en Cartas de revisión física .

La materia oscura es una forma hipotética de materia que no emite radiación electromagnética. Esta propiedad hace que sea difícil incluso probar su existencia. La velocidad de las partículas de materia oscura es baja, por eso son retenidos por las galaxias. Interactúan entre sí y con la materia ordinaria de manera tan débil que solo se puede sentir su campo de gravedad; de lo contrario, la materia oscura no se manifiesta de ninguna manera. Cada galaxia está rodeada por un halo de materia oscura de tamaño y masa mucho mayores.

La mayoría de los cosmólogos creen que las partículas de materia oscura tienen una gran masa, de ahí que su velocidad sea alta. Todavía, en la década de 1980, los físicos se dieron cuenta de que, en condiciones especiales, estas partículas pueden producirse en el universo temprano con una velocidad casi nula, independientemente de su masa. También pueden ser muy ligeros. Como consecuencia, las distancias a las que se hace evidente la naturaleza cuántica de estas partículas pueden ser enormes. En lugar de las escalas nanométricas que generalmente se requieren para observar los fenómenos cuánticos en los laboratorios, la escala "cuántica" para tales partículas puede ser comparable al tamaño de la parte central de nuestra galaxia.

Los investigadores observaron que las partículas de materia oscura, si son bosones con masa suficientemente pequeña, pueden formar un condensado de Bose-Einstein en los halos de las galaxias pequeñas o incluso en subestructuras más pequeñas debido a sus interacciones gravitacionales. Tales subestructuras incluyen halos de galaxias enanas, sistemas de varios miles de millones de estrellas unidas por fuerzas gravitacionales, y miniclusters:sistemas muy pequeños formados únicamente por materia oscura. El condensado de Bose-Einstein es un estado de partículas cuánticas que ocupan el nivel de energía más bajo, tener la energía más pequeña. Se puede producir un condensado de Bose-Einstein en el laboratorio a bajas temperaturas a partir de átomos ordinarios. Este estado de la materia exhibe propiedades únicas, como superfluidez, la capacidad de atravesar pequeñas grietas o capilares sin fricción. La materia oscura clara en la galaxia tiene baja velocidad y alta concentración. Bajo estas condiciones, eventualmente debería formar un condensado de Bose-Einstein. Pero para que esto suceda, las partículas de materia oscura deben interactuar entre sí, pero hasta donde sabemos, interactúan sólo gravitacionalmente.

"En nuestro trabajo, simulamos el movimiento de un gas cuántico de luz, partículas de materia oscura que interactúan gravitacionalmente. Partimos de un estado virializado con mezcla máxima, que es algo opuesto al condensado de Bose-Einstein. Después de un período muy largo, 100, 000 veces más que el tiempo necesario para que una partícula cruce el volumen de simulación, las partículas formaron espontáneamente un condensado, que inmediatamente se transformó en una gota esférica, una estrella de Bose, bajo el efecto de la gravedad, "dijo uno de los autores, Dmitry Levkov, Doctor. en física, investigador principal del Instituto de Investigaciones Nucleares de la Academia de Ciencias de Rusia.

Dr. Levkov y sus colegas, Alexander Panin e Igor Tkachov del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Rusia, concluyó que el condensado de Bose-Einstein puede formarse en los centros de los halos de las galaxias enanas en un lapso de tiempo más corto que la vida útil del universo. Esto significa que las estrellas Bose podrían existir actualmente.

Los autores fueron los primeros que vieron la formación de un condensado de Bose-Einstein a partir de materia oscura clara en simulaciones por computadora. En estudios numéricos anteriores, el condensado ya estaba presente en el estado inicial, y de él surgieron estrellas de Bose. Según una hipótesis, el condensado de Bose podría haberse formado en el universo temprano mucho antes de la formación de galaxias o miniclusters, pero actualmente se carece de pruebas fiables de ello. Los autores demostraron que el condensado se forma en los centros de pequeños halos, y planean investigar la condensación en el universo temprano en estudios posteriores.

Los científicos señalan que las estrellas Bose pueden ser la fuente de ráfagas de radio rápidas que actualmente no tienen una explicación cuantitativa. Las partículas claras de materia oscura llamadas "axiones" interactúan con los campos electromagnéticos de manera muy débil y pueden descomponerse en radiofotones. Este efecto es extremadamente pequeño, pero dentro de la estrella de Bose, puede amplificarse resonantemente, como en un láser, y podría dar lugar a ráfagas de radio gigantes.

"El siguiente paso obvio es predecir el número de estrellas Bose en el universo y calcular su masa en modelos con materia oscura clara, "concluyó Dmitry Levkov.