Por dentro do colapso misterioso dos halos de matéria escura

Uma nova simulação revela como partículas de matéria escura que colidem entre si podem desencadear colapsos cósmicos que moldam galáxias — e possivelmente dão origem a buracos negros. Crédito: IA/ScienceDaily.com

Há quase 100 anos, a matéria escura permanece uma das maiores questões sem resposta na cosmologia. Embora não possa ser vista diretamente, sua influência gravitacional molda galáxias e a estrutura em grande escala do universo. No Instituto Perimeter, dois físicos estão investigando como uma forma particular de matéria escura, conhecida como matéria escura autointeragente (SIDM), pode influenciar o crescimento e a evolução das estruturas cósmicas ao longo do tempo.

Uma nova ferramenta para estudar interação da matéria escura

Em pesquisa publicada na Physical Review Letters, James Gurian e Simon May apresentam uma nova ferramenta computacional projetada para estudar como a SIDM afeta a formação de galáxias. Sua abordagem permite explorar tipos de interações de partículas que antes eram difíceis ou impraticáveis de modelar com precisão.

Quando a matéria escura interage consigo mesma

A SIDM é uma forma teórica de matéria escura cujas partículas podem colidir entre si, mas não interagem com a matéria bariônica — composta por prótons, nêutrons e elétrons. Essas colisões conservam energia por meio do que os físicos chamam de autointerações elásticas. Esse comportamento pode influenciar fortemente os halos de matéria escura, que são as concentrações massivas de matéria escura que envolvem galáxias e ajudam a guiar sua evolução.

“A matéria escura forma aglomerados relativamente difusos, mas ainda muito mais densos que a densidade média do universo”, explica Gurian, pesquisador pós-doutoral do Perimeter e coautor do estudo. “A Via Láctea e outras galáxias vivem nesses halos de matéria escura.”

Calor, fluxo de energia e colapso do núcleo

A natureza autointeragente da SIDM pode desencadear um processo conhecido como colapso gravotérmico dentro dos halos de matéria escura. Esse fenômeno surge de uma propriedade contraintuitiva da gravidade, onde sistemas ligados gravitacionalmente se tornam mais quentes ao perder energia, em vez de esfriar.

“Você tem essa matéria escura autointeragente que transporta energia, e ela tende a transportar energia para fora nesses halos”, explica Gurian. “Isso faz com que o núcleo interno fique muito quente e denso enquanto a energia é transportada para o exterior.” Com o tempo, esse processo pode levar o núcleo do halo a um colapso dramático.

Preenchendo uma lacuna na modelagem da matéria escura

Simular as estruturas formadas pela SIDM tem sido um desafio. Métodos existentes funcionam bem apenas em condições específicas. Algumas simulações são eficazes quando a matéria escura é esparsa e as colisões são raras, enquanto outras só funcionam com matéria escura muito densa e colisões frequentes.

“Uma abordagem é a simulação N-corpo, que funciona muito bem quando a matéria escura não é densa e as colisões são infrequentes. A outra é o método fluido — eficaz quando a matéria escura é muito densa e as colisões são frequentes”, detalha Gurian.

“Mas para as situações intermediárias, não havia um método adequado”, completa. “É preciso uma abordagem intermediária para transitar corretamente entre as partes de baixa e alta densidade. Foi a origem deste projeto.”

Simulações mais rápidas e acessíveis

Para resolver esse problema, Gurian e Simon May, ex-pesquisador pós-doutoral do Perimeter e atualmente fellow do ERC na Universidade de Bielefeld, criaram um novo código chamado KISS-SIDM. O software preenche a lacuna entre métodos existentes, oferecendo maior precisão e demandando muito menos poder computacional. Além disso, está disponível publicamente para outros pesquisadores.

“Antes, se você quisesse testar diferentes parâmetros para matéria escura autointeragente, precisava usar um modelo fluido simplificado ou acessar clusters de supercomputação, que são muito caros”, explica Gurian. “Este código é mais rápido e pode ser executado em um laptop.”

Abrindo novas portas para a física da matéria escura

O interesse pela matéria escura interagente tem crescido nos últimos anos, impulsionando avanços científicos que podem transformar a compreensão da cosmologia e da formação das galáxias.

Matéria original: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/01/260118233609.htm