Da quasi un secolo la materia oscura rappresenta uno dei più grandi enigmi della cosmologia moderna. Invisibile agli strumenti di osservazione diretta, essa rivela la propria esistenza attraverso la gravità, modellando galassie, ammassi e l’intera struttura su larga scala dell’universo.
Ora, due fisici del Perimeter Institute hanno sviluppato un nuovo strumento computazionale che promette di fare un salto di qualità nello studio di una particolare ipotesi: la materia oscura auto-interagente (Self-Interacting Dark Matter, SIDM).
Lo studio, pubblicato su Physical Review Letters, è firmato da James Gurian e Simon May e introduce un codice in grado di simulare con maggiore precisione come questo tipo di materia oscura influenzi la formazione e l’evoluzione delle galassie.
Cos’è la materia oscura auto-interagente (SIDM)
Nei modelli standard, la materia oscura interagisce solo tramite la gravità. La SIDM, invece, è una variante teorica in cui le particelle di materia oscura possono collidere tra loro, pur restando completamente disaccoppiate dalla materia ordinaria (protoni, neutroni ed elettroni).
Queste collisioni – dette auto-interazioni elastiche – non distruggono le particelle, ma permettono il trasferimento di energia. Il risultato è un impatto diretto sulla struttura degli aloni di materia oscura, enormi regioni che circondano le galassie e ne guidano l’evoluzione.
Come spiega Gurian: “La materia oscura forma aggregati relativamente diffusi, ma comunque molto più densi della densità media dell’universo. La Via Lattea e le altre galassie esistono all’interno di questi aloni.”
Collasso gravotermico: quando perdere energia significa scaldarsi
Una delle conseguenze più affascinanti della SIDM è il cosiddetto collasso gravotermico. A differenza dei sistemi comuni, quelli dominati dalla gravità mostrano un comportamento controintuitivo: quando perdono energia, si riscaldano.
Nel caso della SIDM, le auto-interazioni trasportano energia dal centro verso l’esterno dell’alone. Questo provoca:
- aumento di temperatura del nucleo centrale
- crescita della densità
- possibile collasso del core nel tempo
Un processo estremo che potrebbe persino avere collegamenti con la formazione dei buchi neri, anche se il destino finale di questo collasso resta ancora un’incognita aperta.
Il problema delle simulazioni: troppo rare o troppo dense
Simulare correttamente questi fenomeni è stato finora molto difficile. I modelli disponibili funzionano bene solo agli estremi:
- Simulazioni N-body → ottime quando la materia oscura è poco densa e le collisioni sono rare
- Modelli fluidodinamici → efficaci solo quando la materia oscura è estremamente densa
Il problema? La realtà cosmica si colloca spesso nel mezzo.
“Per il regime intermedio non esisteva un metodo affidabile”, spiega Gurian. “Serviva un approccio capace di collegare correttamente le regioni a bassa e alta densità.”
KISS-SIDM: simulazioni avanzate anche su un laptop
La soluzione prende il nome di KISS-SIDM, un nuovo codice che fa da ponte tra i metodi esistenti. I vantaggi sono notevoli:
- maggiore accuratezza fisica
- consumo computazionale ridotto
- esecuzione possibile anche su un normale laptop
- codice reso pubblico per la comunità scientifica
In passato, esplorare parametri diversi richiedeva cluster di calcolo costosi o modelli fortemente semplificati. Ora il processo diventa molto più accessibile.
Nuova fisica nel “settore oscuro”?
Negli ultimi anni, alcune osservazioni galattiche mostrano anomalie difficili da spiegare con i modelli standard di materia oscura. È qui che la SIDM torna sotto i riflettori.
Secondo Neal Dalal, ricercatore del Perimeter Institute: “In precedenza non era possibile simulare con precisione la formazione delle strutture cosmiche in modelli con interazioni significative. Il metodo sviluppato da Gurian e May colma finalmente questo vuoto.”
Il risultato è l’apertura a intere classi di studi che finora erano computazionalmente impraticabili.
