Semi-Analytic Predictions for Strong-Lensing Perturbers in Cold and Self-Interacting Dark Matter

L'universo è pieno di materia invisibile che tiene insieme le galassie, una sostanza che gli scienziati chiamano materia oscura. Per decenni, la teoria dominante è stata che questa materia sia "fredda", il che significa che le sue particelle si muovono lentamente e non si scontrano tra loro, comportandosi come un gas spettrale che interagisce solo attraverso la gravità. Questa idea spiega bene la struttura su larga scala del cosmo, ma fatica a spiegare cosa accada all'interno dei grumi più piccoli e deboli di materia oscura. Una teoria alternativa suggerisce che queste particelle possano essere "auto-interagenti", ovvero che possano urtarsi l'una contro l'altra come palle da biliardo, trasferendo calore e rimodellando i centri stessi delle nubi di materia oscura. Questa differenza di comportamento potrebbe lasciare un'impronta distinta sulle strutture più piccole dell'universo, ma poiché questi grumi sono troppo fiocanti per essere visti direttamente, gli astronomi devono cercare le loro ombre gravitazionali.

Per trovare queste ombre, i ricercatori utilizzano un fenomeno chiamato lente gravitazionale forte. Quando una galassia massiccia si trova tra la Terra e un oggetto distante sullo sfondo, la sua gravità piega la luce di quell'oggetto, creando immagini distorte, ingrandite o multiple. Se un grumo più piccolo e invisibile di materia oscura si trova all'interno di quella galassia in primo piano, agisce come una minuscola lente all'interno di una lente, creando un'increspatura sottile e localizzata nell'immagine distorta. Studiando queste increspature, gli astronomi possono pesare i grumi invisibili e misurare quanto siano densi i loro centri. Questo articolo porta quel concetto un passo avanti ponendo una domanda specifica: se guardiamo queste increspature, esse corrispondono alle previsioni della teoria standard della materia oscura fredda, o indicano la versione auto-interagente?

I ricercatori hanno costruito un sofisticato framework informatico per simulare le storie di vita di miliardi di grumi di materia oscura. Invece di eseguire simulazioni costose e lente che tracciano ogni singola particella, hanno utilizzato un approccio semi-analitico. Sono partiti dalla storia nota di come i grumi di materia oscura si formano e si fondono nel modello freddo standard, per poi applicare un insieme di regole per vedere come quegli stessi grumi cambierebbero se le particelle potessero urtarsi tra loro. Nel modello freddo, questi grumi rimangono relativamente lisci e diffusi. Nel modello auto-interagente, le particelle trasferiscono calore dal centro ai bordi, causando l'espansione del centro in un "nucleo" (core) e, in alcuni casi, portandolo infine a collassare verso l'interno, diventando incredibilmente denso e compatto. Il team ha generato migliaia di questi grumi simulati, calcolando esattamente quanta massa proietterebbero sul cielo e quanto sarebbero ripidi i loro pendii di densità, creando una vasta biblioteca di come questi oggetti invisibili dovrebbero apparire se esistessero.

Hanno poi confrontato questa biblioteca con tre reali grumi di materia oscura osservati, che gli astronomi hanno già rilevato attraverso il lensing gravitazionale in sistemi denominati PJ011646, SDSS J0946+1006 e JVAS B1938+666. Questi tre oggetti sono unici perché le loro strutture interne sono state misurate con alta precisionità. I ricercatori si sono posti una domanda semplice ma difficile: quanto spesso un grumo di materia oscura fredda standard assomiglia a uno di questi tre oggetti reali, e quanto spesso un grumo auto-interagente assomiglia a loro? La risposta ha rivelato una chiara preferenza per il modello auto-interagente. Per l'oggetto in PJ011646, il modello standard ha prodotto un grumo corrispondente solo circa due volte ogni mille simulazioni, mentre il modello auto-interagente ne ha prodotto circa seicento nello stesso numero di tentativi. Per l'oggetto in SDSS J0946+1006, il modello standard non è riuscito a produrre un singolo match in novecento simulazioni, mentre il modello auto-interagente ne ha trovati diversi, specificamente quelli che avevano subito un collasso gravitazionale per diventare estremamente densi.

Lo studio ha anche esaminato il terzo oggetto, JVAS B1938+666, che è un grumo molto piccolo e compatto. Qui, il modello standard è stato nuovamente raro, trovando un match solo una volta ogni cinquecento tentativi, e tali match richiedevano che il grumo fosse caduto nella sua galassia ospite in un momento eccezionalmente precoce della storia dell'universo. Al contrario, il modello auto-interagente ha trovato centinaia di corrispondenze, molte delle quali avevano collassato in nuclei densi. I ricercatori hanno scoperto che, per spiegare tutti e tre questi diversi oggetti simultaneamente con un unico insieme di regole, le particelle auto-interagenti devono possedere una proprietà specifica: devono essere in grado di interagire fortemente anche quando si muovono ad alte velocità. Se la forza di interazione diminuisce troppo rapidamente all'aumentare della velocità, i grumi massicci necessari per spiegare il secondo oggetto non collasserebbero mai. I dati suggeriscono che l'interazione rimanga forte fino a velocità di circa cento chilometri al secondo.

Sebbene i risultati favoriscano fortemente il modello auto-interagente per questi casi specifici, gli autori segnalano con cautela i limiti del loro lavoro. Le loro simulazioni non includevano gli effetti della materia normale, come stelle e gas, che possono anche cambiare la forma di un grumo di materia oscura. Se la materia normale è presente, potrebbe potenzialmente far apparire il modello standard di materia oscura fredda più simile alle osservazioni, sebbene i ricercatori sospettino che ciò non sarebbe sufficiente a colmare completamente il divario. Inoltre, il comportamento esatto della materia oscura nelle fasi finali del collasso è ancora oggetto di ricerca attiva, e diverse assunzioni su questo processo potrebbero spostare leggermente i numeri. Tuttavia, il risultato principale rimane robusto: le strutture specifiche e compatte osservate in questi tre sistemi di lensing sono molto più comuni in un universo in cui le particelle di materia oscura si urtano tra loro rispetto a un universo in cui passano l'una attraverso l'altra come fantasmi. Ciò suggerisce che l'impalcatura invisibile del nostro universo possa essere più dinamica e interattiva di quanto precedentemente pensato, con i suoi elementi costruttivi più piccoli capaci di drammatiche trasformazioni interne.