Cortes de densidad que se acercan a un halo de materia oscura borrosa. El gráfico de la derecha muestra la función de onda de materia oscura difusa reconstruida con un patrón de interferencia autoconsistente y un núcleo solitónico central utilizando el método de haz gaussiano recientemente presentado en la región más interna y altamente resuelta del halo. Crédito:Schwabe &Niemeyer.
La materia oscura es un tipo de materia del universo que no absorbe, refleja ni emite luz, lo que hace que sea imposible detectarla directamente. En los últimos años, los astrofísicos y cosmólogos de todo el mundo han estado tratando de detectar indirectamente este escurridizo tipo de materia, para comprender mejor sus características y composición únicas.
Uno de los candidatos más prometedores para la materia oscura es la "materia oscura difusa", una forma hipotética de materia oscura que se cree que consiste en partículas escalares extremadamente ligeras. Se sabe que este tipo de materia es difícil de simular debido a sus características únicas.
Investigadores de la Universidad de Zaragoza en España y del Instituto de Astrofísica de Alemania han propuesto recientemente un nuevo método que podría usarse para simular la materia oscura difusa que forma un halo galáctico. Este método, presentado en un artículo publicado en Physical Review Letters , se basa en la adaptación de un algoritmo que el equipo introdujo en sus trabajos anteriores.
"El desafío numérico para los estudios que se centran en la materia oscura difusa es que sus características distintivas, las fluctuaciones de densidad granular en halos y filamentos colapsados, son órdenes de magnitud más pequeños que cualquier caja de simulación cosmológica lo suficientemente grande como para capturar con precisión la dinámica de la red cósmica". Bodo Schwabe, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, le dijo a Phys.org. "Por lo tanto, durante años, las personas han tratado de combinar métodos numéricos eficientes que capturan la dinámica a gran escala con algoritmos que son computacionalmente exigentes pero que pueden evolucionar con precisión estas fluctuaciones de densidad".
Como parte de su estudio reciente, Schwabe y su colega Jens C. Niemeyer adaptaron y mejoraron un algoritmo que habían introducido en su trabajo anterior. Hasta ahora, el método que desarrollaron es el único que se puede utilizar con éxito para realizar simulaciones de cosmología de materia oscura difusa.
Usando su algoritmo adaptado, los investigadores pudieron simular el colapso de la red del cosmos en filamentos y halos. Esto se logró utilizando el llamado "método de n cuerpos", que divide el "campo de densidad inicial" en pequeñas partículas que evolucionan libremente bajo la fuerza de la gravedad.
"El método de n-cuerpos es un método muy estable, bien probado y eficiente, pero no captura las fluctuaciones de densidad del campo de materia oscura borrosa que interfiere en los filamentos y halos", explicó Schwabe. "En un pequeño subvolumen de nuestro cuadro de simulación que traza el centro de un halo preseleccionado, cambiamos a un algoritmo diferente, conocido como el método de diferencias finitas, que desarrolla directamente la función de onda difusa de la materia oscura y, por lo tanto, puede capturar su interferencia. modos que producen las características fluctuaciones de densidad granular".
Si bien la astrofísica de todo el mundo utiliza ampliamente los métodos de n cuerpos y diferencias finitas para realizar simulaciones cosmológicas, rara vez se han utilizado en conjunto. Para realizar sus simulaciones, Schwabe y Niemeyer combinaron estos dos métodos, confiando en la moderación entre ellos en la superficie del subvolumen.
Más específicamente, el método que usaron promueve las partículas de n cuerpos a paquetes de ondas coherentes conocidos como "haces gaussianos". La superposición de estos elementos condujo a una función de onda de materia oscura difusa en su intersección, lo que finalmente permitió realizar sus simulaciones.
"Nuestra exitosa combinación de métodos de diferencias finitas y cuerpos n allana el camino para simulaciones cosmológicas realistas de materia oscura difusa", agregó Schwabe. "These simulations can include the collision of two or more fuzzy dark matter halos, the evolution of star clusters inside a halo, or their interaction with the central solitonic core whose random walk can potentially heat up or even disrupt the star cluster."
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