Nel vasto panorama dei misteri cosmologici ancora irrisolti, la materia oscura occupa un posto di primo piano da quasi un secolo. Pur essendo invisibile alla rilevazione diretta, la sua influenza gravitazionale plasma la formazione e l'evoluzione delle galassie, costituendo l'impalcatura invisibile dell'universo su larga scala. Ora, un innovativo strumento computazionale sviluppato al Perimeter Institute in Canada promette di svelare nuovi aspetti di una particolare forma di questa sfuggente componente cosmica: la materia oscura auto-interagente (SIDM). La ricerca, pubblicata sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters, apre prospettive inedite per comprendere come queste particelle influenzino la nascita e la trasformazione delle strutture cosmiche.
La peculiarità della materia oscura auto-interagente risiede nella capacità delle sue particelle di collidere tra loro attraverso interazioni elastiche che conservano l'energia, pur rimanendo completamente "trasparenti" alla materia barionica ordinaria, quella composta da protoni, neutroni ed elettroni che costituisce stelle, pianeti e tutto ciò che possiamo osservare direttamente. Questo comportamento può influenzare in modo determinante gli aloni di materia oscura, quelle massicce concentrazioni che avvolgono le galassie guidandone l'evoluzione. Come spiega James Gurian, ricercatore postdottorale al Perimeter Institute e coautore dello studio, "la Via Lattea e altre galassie risiedono all'interno di questi aloni di materia oscura, che formano addensamenti relativamente diffusi ma comunque molto più densi della densità media dell'universo".
Il comportamento auto-interagente della SIDM può innescare un fenomeno affascinante e controintuitivo chiamato collasso gravotermico all'interno degli aloni. Questo processo nasce da una proprietà paradossale della gravità: i sistemi legati gravitazionalmente diventano più caldi quando perdono energia, anziché raffreddarsi come avviene nella maggior parte dei fenomeni fisici. Nel caso della materia oscura auto-interagente, le collisioni tra particelle trasportano energia verso l'esterno dell'alone, provocando un riscaldamento e una densificazione progressiva del nucleo centrale. Nel tempo, questo meccanismo può condurre il cuore dell'alone verso un drammatico collasso, concentrando materia in regioni sempre più ristrette dello spazio.
La simulazione delle strutture formate dalla SIDM ha rappresentato per lungo tempo una sfida metodologica significativa. I metodi esistenti funzionano efficacemente solo in condizioni specifiche: le simulazioni N-body risultano accurate quando la materia oscura è rarefatta e le collisioni poco frequenti, mentre gli approcci fluidodinamici sono appropriati solo quando la densità è estremamente elevata e le interazioni costanti. Come sottolinea Gurian, "per la regione intermedia non esisteva un metodo affidabile. Era necessario un approccio capace di gestire correttamente la transizione tra le zone a bassa e alta densità. Questa lacuna ha rappresentato l'origine del nostro progetto".
Per colmare questo vuoto, Gurian e Simon May, ex ricercatore postdottorale al Perimeter Institute attualmente ERC Preparative Fellow presso l'Università di Bielefeld in Germania, hanno sviluppato un nuovo software chiamato KISS-SIDM. Questo strumento computazionale risolve il problema del "regime intermedio", garantendo maggiore accuratezza pur richiedendo una potenza di calcolo notevolmente inferiore rispetto alle soluzioni precedenti. Un vantaggio cruciale per la comunità scientifica è che il codice è stato reso pubblicamente accessibile, permettendo a ricercatori di tutto il mondo di esplorare diversi parametri della materia oscura auto-interagente senza necessità di accesso a costosi supercomputer.
L'interesse verso modelli di materia oscura interagente è cresciuto negli ultimi anni, alimentato da alcune caratteristiche osservative anomale rilevate in diverse galassie che sembrano mal conciliarsi con i modelli standard. Neal Dalal, membro della facoltà di ricerca del Perimeter Institute, evidenzia come "recentemente si è registrato un considerevole interesse per i modelli di materia oscura interagente, a causa di possibili anomalie rilevate nelle osservazioni di galassie che potrebbero richiedere nuova fisica nel settore oscuro". Secondo Dalal, il metodo sviluppato da Gurian e May "fornisce finalmente una soluzione che consente di simulare l'evoluzione della materia oscura in modelli con interazioni significative, rendendo possibile un ampio spettro di studi precedentemente impraticabili".
Il collasso dei nuclei di materia oscura riveste un interesse particolare perché potrebbe lasciare tracce osservabili nell'universo, incluse possibili connessioni con la formazione di buchi neri. Tuttavia, la questione fondamentale riguarda l'esito finale di questo processo di collasso estremo, un interrogativo che i ricercatori intendono affrontare nelle fasi successive della loro indagine. "La domanda essenziale è: qual è il punto finale di questo collasso? Quello che vorremmo davvero fare è studiare la fase successiva alla formazione di un buco nero", afferma Gurian.
