La materia oscura puede formar gotitas esféricas

Formación de una estrella Bose
DMITRY LEVKOV
Actualizado 23/10/2018 17:54:26 CET

   MADRID, 23 Oct. (EUROPA PRESS) -

   Un modelo matemático del movimiento de partículas de materia oscura en halos de galaxias enanas determina que, con el tiempo, la materia oscura puede formar gotitas esféricas de condensado cuántico.

   Anteriormente, esto se consideraba imposible, ya que se ignoraban las fluctuaciones del campo de gravedad producido por las partículas de materia oscura. El estudio se publica en Physical Review Letters.

   La materia oscura es una forma hipotética de materia que no emite radiación electromagnética. Esta propiedad dificulta las búsquedas de materia oscura y hace que sea difícil incluso probar su existencia. La velocidad de las partículas de materia oscura es baja, por lo que las galaxias las retienen. Interactúan entre sí y con la materia ordinaria tan débilmente 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 una capa de materia oscura (halo) de tamaño y masa mucho más grandes.

   La mayoría de los cosmólogos creen que las partículas de materia oscura tienen una gran masa, por lo tanto, su velocidad es alta. Sin embargo, en la década de 1980, se dio cuenta de que, bajo condiciones especiales, estas partículas pueden producirse en el Universo primitivo 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 una masa suficientemente pequeña, pueden formar un condensado de Bose-Einstein en los halos de galaxias pequeñas o en subestructuras aún 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 solo por materia oscura. El condensado de Bose-Einstein es un estado de partículas cuánticas en el que todas ocupan el nivel de energía más bajo, teniendo la energía más pequeña.

   El condensado de Bose-Einstein se puede producir en el laboratorio a bajas temperaturas a partir de átomos comunes. Este estado de la materia exhibe propiedades únicas, como la superfluidez: la capacidad de atravesar pequeñas grietas o capilares sin fricción. La materia oscura clara en la galaxia tiene baja velocidad y gran concentración.

   En estas condiciones, debe formar un condensado de Bose-Einstein. Pero para que esto suceda, las partículas de materia oscura deben interactuar unas con otras, mientras que por lo que sabemos, interactúan solo 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 allá del tiempo necesario para que una partícula cruce el volumen de simulación, las partículas formaron espontáneamente un condensado, que inmediatamente se convirtió en una gota esférica, una estrella Bose, bajo el efecto de la gravedad", dijo uno de los autores, Dmitry Levkov, investigador principal en el Instituto de Investigación Nuclear de la Academia de Ciencias de Rusia.

   Levkov y sus colegas concluyeron que el condensado de Bose-Einstein puede formarse en los centros de halos de galaxias enanas en un tiempo más pequeño que la vida de Universo. Esto significa que las estrellas Bose podrían poblarlas ahora.

   Los autores fueron los primeros que vieron la formación del 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 las estrellas Bose surgieron de él. 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 no existe evidencia confiable 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 señalaron que las estrellas Bose pueden producir explosiones de radio rápidas que actualmente no tienen una explicación cuantitativa. Las partículas de materia oscura oscura llamadas "axiones" interactúan con el campo electromagnético muy débilmente y pueden descomponerse en radiofotones. Este efecto es muy pequeño, pero en el interior de la estrella Bose puede amplificarse resonantemente como en un láser y podría provocar estallidos 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.