I gemelli identici sono simili tra loro in molti modi, ma hanno esperienze diverse, gli amici, e stili di vita.

Questo concetto è giocato su scala cosmologica dalle galassie. Due galassie che a prima vista sembrano molto simili ed effettivamente identiche possono avere regioni interne che ruotano a velocità molto diverse:l'analogo galattico di gemelli con stili di vita diversi.

Un team di fisici, guidato da Hai-Bo Yu dell'Università della California, lungo il fiume, ha trovato una spiegazione semplice e praticabile per questa diversità.

Ogni galassia si trova all'interno di un alone di materia oscura che forma l'impalcatura gravitazionale che la tiene insieme. La distribuzione della materia oscura in questo alone può essere dedotta dal movimento delle stelle e delle particelle di gas nella galassia.

Yu e colleghi fanno rapporto in Lettere di revisione fisica che diverse curve di rotazione galattica, un grafico delle velocità di rotazione a diverse distanze dal centro, può essere spiegato naturalmente se si presume che le particelle di materia oscura si scontrino fortemente l'una con l'altra nell'alone interno, vicino al centro della galassia - un processo chiamato autointerazione della materia oscura.

"Nella prevalente teoria della materia oscura, chiamato Cold Dark Matter o CDM, si presume che le particelle di materia oscura siano prive di collisione, a parte la gravità, " ha detto Yu, un assistente professore di fisica teorica delle particelle e astrofisica, che ha condotto la ricerca. "Noi invochiamo una teoria diversa, il modello della materia oscura auto-interagente o SIDM, per mostrare che le autointerazioni della materia oscura termalizzare l'alone interno, che lega insieme le distribuzioni della materia ordinaria e della materia oscura in modo che si comportino come un'unità collettiva. L'alone di materia oscura auto-interagente diventa quindi abbastanza flessibile da adattarsi alle diverse curve di rotazione osservate".

Yu ha spiegato che le collisioni di materia oscura avvengono nel denso alone interno, dove si trova la galassia luminosa. Quando le particelle si scontrano, scambiano energia e termalizzano. Per le galassie poco luminose, il processo di termalizzazione riscalda le particelle interne di materia oscura e le spinge fuori dalla regione centrale, riducendo la densità, analogo a una macchina per popcorn in cui i chicchi si colpiscono l'un l'altro mentre scoppiano, facendoli volare verso l'alto dal fondo della macchina. Per le galassie molto luminose come la Via Lattea, la termalizzazione attira le particelle nel pozzo potenziale profondo della materia luminosa e aumenta la densità della materia oscura. Inoltre, anche la storia dell'assemblaggio cosmologico degli aloni gioca un ruolo nel generare la diversità osservata.

"Il nostro lavoro dimostra che la materia oscura può avere forti interazioni con se stessi, una deviazione radicale dalla teoria prevalente, " disse Yu. "Spiega bene la diversità osservata delle curve rotanti galattiche, pur essendo coerente con altre osservazioni cosmologiche."

La materia oscura costituisce circa l'85% della materia nell'universo, ma la sua natura rimane in gran parte sconosciuta nonostante la sua inconfondibile impronta gravitazionale sulle osservazioni astronomiche e cosmologiche. Il modo convenzionale per studiare la materia oscura è presumere che abbia qualche interazione non gravitazionale con la materia visibile che può essere studiata in laboratorio. I fisici non lo sanno, però, se esiste una tale interazione tra materia oscura e visibile.

Nell'ultima decade, Yu ha aperto la strada a una nuova linea di ricerca basata sulla seguente premessa:mettendo da parte se la materia oscura interagisce con la materia visibile, cosa succede se la materia oscura interagisce con se stessa attraverso una nuova forza oscura?

Yu ipotizzò che la nuova forza oscura avrebbe influenzato la distribuzione della materia oscura nell'alone di ogni galassia. Si rese conto che esiste davvero una discrepanza tra CDM e osservazioni astronomiche che potrebbe essere risolta se la materia oscura è auto-interagente.

"La compatibilità di questa ipotesi con le osservazioni è un grande progresso nel campo, " ha detto Flip Tanedo, un assistente professore di fisica teorica delle particelle alla UC Riverside, che non è stato coinvolto nella ricerca. "Il paradigma SIDM è un ponte tra la fisica delle particelle fondamentali e l'astronomia osservativa. La coerenza con le osservazioni è un grande indizio che questa proposta ha una possibilità di essere corretta e pone le basi per future osservazioni, sperimentale, numerico, e lavoro teorico. In questo modo, sta aprendo la strada a nuove ricerche interdisciplinari."

Il SIDM è stato proposto per la prima volta nel 2000 da una coppia di eminenti astrofisici. Ha sperimentato un risveglio nella comunità della fisica delle particelle intorno al 2009, aiutato in parte dal lavoro chiave di Yu e dei suoi collaboratori.

"Questo è un momento speciale per questo tipo di ricerca perché le simulazioni numeriche delle galassie si stanno finalmente avvicinando a una precisione in cui possono fare previsioni concrete per confrontare le previsioni osservative degli scenari auto-interagenti rispetto a quelli della materia oscura fredda, " disse Tanedo. "In questo modo, Hai-Bo è l'architetto della moderna materia oscura auto-interagente e di come fonde più campi diversi:fisica teorica delle alte energie, fisica sperimentale delle alte energie, astronomia osservativa, simulazioni numeriche di astrofisica, e la cosmologia dell'universo primordiale e la formazione delle galassie".

Il documento di ricerca è incluso da Lettere di revisione fisica come "Suggerimento dell'editore" e presente anche in APS Physics.