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

O universo é preenchido por matéria invisível que mantém as galáxias unidas, uma substância que os cientistas chamam de matéria escura. Durante décadas, a teoria predominante tem sido a de que essa matéria é "fria", o que significa que suas partículas se movem lentamente e não colidem umas com as outras, comportando-se como um gás fantasmagórico que interage apenas através da gravidade. Essa ideia explica bem a estrutura em grande escala do cosmos, mas tem dificuldade em explicar o que acontece dentro dos aglomerados mais pequenos e tênues de matéria escura. Uma teoria alternativa sugere que essas partículas podem ser "autointeragentes", o que significa que elas podem se espalhar umas pelas outras como bolas de bilhar, transferindo calor e remodelando os próprios centros das nuvens de matéria escura. Essa diferença de comportamento poderia deixar uma impressão digital distinta nas menores estruturas do universo, mas, como esses aglomerados são muito opacos para serem vistos diretamente, os astrônomos devem procurar por suas sombras gravitacionais.

Para encontrar essas sombras, os pesquisadores utilizam um fenômeno chamado lente gravitacional forte. Quando uma galáxia massiva se posiciona entre a Terra e um objeto distante ao fundo, sua gravidade curva a luz desse objeto ao fundo, criando imagens distorcidas, magnificadas ou múltiplas. Se um aglomerado menor e invisível de matéria escura estiver dentro dessa galáxia em primeiro plano, ele atuará como uma pequena lente dentro de uma lente, criando uma ondulação sutil e localizada na imagem distorcida. Ao estudar essas ondulações, os astrônomos podem pesar os aglomerados invisíveis e medir quão densos são seus centros. Este artigo leva esse conceito um passo adiante ao fazer uma pergunta específica: se olharmos para essas ondulações, elas correspondem às previsões da teoria padrão da matéria escura fria ou apontam para a versão autointeragente?

Os pesquisadores construíram uma estrutura computacional sofisticada para simular as histórias de vida de bilhões de aglomerados de matéria escura. Em vez de executar simulações caras e lentas que rastreiam cada partícula individualmente, eles usaram uma abordagem semianalítica. Eles começaram com a história conhecida de como os aglomerados de matéria escura se formam e se fundem no modelo frio padrão, depois aplicaram um conjunto de regras para ver como esses mesmos aglomerados mudariam se as partículas pudessem colidir umas com as outras. No modelo frio, esses aglomerados permanecem relativamente suaves e difusos. No modelo autointeragente, as partículas transferem calor do centro para as bordas, fazendo com que o centro se expanda em um "núcleo" e, em alguns casos, eventualmente colapse para dentro, tornando-se incrivelmente denso e compacto. A equipe gerou milhares desses aglomerados simulados, calculando exatamente quanta massa eles projetariam no céu e quão íngremes seriam suas inclinações de densidade, criando uma vasta biblioteca do que esses objetos invisíveis deveriam parecer se existissem.

Eles então compararam essa biblioteca com três aglomerados de matéria escura reais e observados que os astrônomos já detectaram através de lentes gravitacionais em sistemas chamados PJ011646, SDSS J0946+1006 e JVAS B1938+666. Esses três objetos são únicos porque suas estruturas internas foram medidas com alta precisão. Os pesquisadores fizeram uma pergunta simples, mas difícil: com que frequência um aglomerado de matéria escura fria padrão se parece com um desses três objetos reais, e com que frequência um aglomerado autointeragente se parece com eles? A resposta revelou uma preferência clara pelo modelo autointeragente. Para o objeto em PJ011646, o modelo padrão produziu um aglomerado correspondente em apenas cerca de duas em cada mil simulações, enquanto o modelo autointeragente produziu um par de correspondência aproximadamente seiscentas vezes no mesmo número de tentativas. Para o objeto em SDSS J0946+1006, o modelo padrão não conseguiu produzir um único par de correspondência em novecentas simulações, ao passo que o modelo autointeragente encontrou vários pares, especificamente aqueles que haviam passado por um colapso gravitacional para se tornarem extremamente densos.

O estudo também observou o terceiro objeto, JVAS B1938+666, que é um aglomerado muito pequeno e compacto. Aqui, o modelo padrão foi novamente raro, encontrando um par apenas uma vez em cada quinhentas tentativas, e esses pares exigiam que o aglomerado tivesse caído em sua galáxia hospedeira em um momento excepcionalmente precoce da história do universo. Em contraste, o modelo autointeragente encontrou centenas de correspondências, muitas das quais haviam colapsado em núcleos densos. Os pesquisadores descobriram que, para explicar todos esses três objetos diferentes simultaneamente com um único conjunto de regras, as partículas autointeragentes devem possuir uma propriedade específica: elas devem ser capazes de interagir fortemente mesmo quando se movem em altas velocidades. Se a força de interação diminuir muito rapidamente conforme a velocidade aumenta, os aglomerados massivos necessários para explicar o segundo objeto nunca colapsariam. Os dados sugerem que a interação permanece forte até velocidades de cerca de cem quilômetros por segundo.

Embora os resultados favoreçam fortemente o modelo autointeragente para esses casos específicos, os autores são cuidadosos ao notar as limitações de seu trabalho. Suas simulações não incluíram os efeitos da matéria normal, como estrelas e gases, que também podem alterar a forma de um aglomerado de matéria escura. Se a matéria normal estiver presente, ela poderia potencialmente fazer com que o modelo de matéria escura fria padrão se parecesse mais com as observações, embora os pesquisadores suspeitem que isso não seria suficiente para fechar totalmente a lacuna. Além disso, o comportamento exato da matéria escura nos estágios finais do colapso ainda é um assunto de pesquisa ativa, e diferentes suposições sobre esse processo poderiam alterar ligeiramente os números. No entanto, a descoberta central permanece robusta: as estruturas específicas e compactas observadas nesses três sistemas de lentes são muito mais comuns em um universo onde as partículas de matéria escura colidem umas com as outras do que em um onde elas passam umas pelas outras como fantasmas. Isso sugere que o andaime invisível do nosso universo pode ser mais dinâmico e interativo do que anteriormente pensado, com seus menores blocos de construção capazes de transformações internas dramáticas.