I ricercatori hanno sviluppato un modello matematico che descrive il movimento delle particelle di materia oscura all'interno degli aloni più piccoli della galassia. Hanno osservato che nel tempo, la materia oscura può formare goccioline sferiche di condensato quantistico. In precedenza, questo era considerato impossibile, poiché le fluttuazioni del campo gravitazionale prodotte dalle particelle di materia oscura sono state ignorate. Lo studio è pubblicato su Lettere di revisione fisica .

La materia oscura è un'ipotetica forma di materia che non emette radiazioni elettromagnetiche. Questa proprietà rende difficile persino dimostrarne l'esistenza. La velocità delle particelle di materia oscura è bassa, ecco perché sono trattenute dalle galassie. Interagiscono tra loro e con la materia ordinaria così debolmente che solo il loro campo di gravità può essere percepito; altrimenti, la materia oscura non si manifesta in alcun modo. Ogni galassia è circondata da un alone di materia oscura di dimensioni e massa molto maggiori.

La maggior parte dei cosmologi crede che le particelle di materia oscura abbiano una grande massa, quindi la loro velocità è alta. Ancora, negli anni '80, i fisici si sono resi conto che in condizioni speciali, queste particelle possono essere prodotte nell'universo primordiale con velocità quasi zero, indipendentemente dalla loro massa. Potrebbero anche essere molto leggeri. Come conseguenza, le distanze alle quali la natura quantistica di queste particelle diventa evidente possono essere enormi. Invece delle scale nanometriche che sono solitamente richieste per osservare i fenomeni quantistici nei laboratori, la scala "quantistica" per tali particelle può essere paragonabile alle dimensioni della parte centrale della nostra galassia.

I ricercatori hanno osservato che le particelle di materia oscura, se sono bosoni con massa sufficientemente piccola, possono formare un condensato di Bose-Einstein negli aloni di piccole galassie o in sottostrutture ancora più piccole a causa delle loro interazioni gravitazionali. Tali sottostrutture includono aloni di galassie nane, sistemi di diversi miliardi di stelle legati insieme da forze gravitazionali, e minicluster:sistemi molto piccoli formati solo da materia oscura. Il condensato di Bose-Einstein è uno stato di particelle quantistiche che occupano il livello energetico più basso, avente la più piccola energia. Un condensato di Bose-Einstein può essere prodotto in laboratorio a basse temperature da atomi ordinari. Questo stato della materia mostra proprietà uniche, come la superfluidità, la capacità di passare attraverso minuscole crepe o capillari senza attrito. La materia oscura leggera nella galassia ha bassa velocità e alta concentrazione. In queste condizioni, dovrebbe eventualmente formare un condensato di Bose-Einstein. Ma affinché ciò accada, le particelle di materia oscura devono interagire tra loro, ma per quanto ne sappiamo, interagiscono solo gravitazionalmente.

"Nel nostro lavoro, abbiamo simulato il moto di un gas quantistico di luce, particelle di materia oscura che interagiscono gravitazionalmente. Siamo partiti da uno stato virializzato con la massima miscelazione, che è un po' l'opposto del condensato di Bose-Einstein. Dopo un lunghissimo periodo, 100, 000 volte più lungo del tempo necessario a una particella per attraversare il volume di simulazione, le particelle formavano spontaneamente un condensato, che si formò immediatamente in una gocciolina sferica, una stella di Bose, sotto l'effetto della gravità, " ha detto uno degli autori, Dmitry Levkov, dottorato di ricerca in fisica, ricercatore senior presso l'Istituto per la ricerca nucleare dell'Accademia delle scienze russa.

Il dottor Levkov e i suoi colleghi, Alexander Panin e Igor Tkachov dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia delle scienze russa, ha concluso che il condensato di Bose-Einstein può formarsi nei centri degli aloni delle galassie nane in un arco di tempo più breve della vita dell'universo. Ciò significa che le stelle di Bose potrebbero attualmente esistere.

Gli autori sono stati i primi a vedere la formazione di un condensato di Bose-Einstein dalla materia chiaro-oscura nelle simulazioni al computer. In precedenti studi numerici, la condensa era già presente allo stato iniziale, e da esso nacquero le stelle di Bose. Secondo un'ipotesi, il condensato di Bose potrebbe essersi formato nell'universo primordiale molto prima della formazione di galassie o minicluster, ma attualmente mancano prove attendibili di ciò. Gli autori hanno dimostrato che la condensa si forma al centro di piccoli aloni, e hanno in programma di studiare la condensazione nell'universo primordiale in ulteriori studi.

Gli scienziati sottolineano che le stelle di Bose potrebbero essere la fonte di lampi radio veloci che attualmente non hanno una spiegazione quantitativa. Le particelle di materia oscura leggera chiamate "assioni" interagiscono con i campi elettromagnetici in modo molto debole e possono decadere in radiofotoni. Questo effetto è incredibilmente piccolo, ma dentro la stella di Bose, può essere amplificato in modo risonante, come in un laser, e potrebbe portare a gigantesche esplosioni radio.

"Il prossimo passo ovvio è prevedere il numero delle stelle di Bose nell'universo e calcolare la loro massa in modelli con materia leggera oscura, " ha concluso Dmitry Levkov.