Fette di densità che ingrandiscono un alone sfocato di materia oscura. Il grafico a destra mostra la funzione d'onda della materia oscura fuzzy ricostruita con pattern di interferenza autoconsistente e nucleo solitonico centrale utilizzando il metodo del raggio gaussiano appena presentato nella regione più interna e altamente risolta dell'alone. Credito:Schwabe &Niemeyer.
La materia oscura è un tipo di materia nell'universo che non assorbe, riflette o emette luce, il che rende impossibile rilevarla direttamente. Negli ultimi anni, astrofisici e cosmologi di tutto il mondo hanno cercato di rilevare indirettamente questo tipo elusivo di materia, per comprenderne meglio le caratteristiche e la composizione uniche.
Uno dei candidati più promettenti per la materia oscura è la "materia oscura sfocata", un'ipotetica forma di materia oscura che si pensa sia costituita da particelle scalari estremamente leggere. Questo tipo di materia è noto per essere difficile da simulare, a causa delle sue caratteristiche uniche.
I ricercatori dell'Universidad de Zaragoza in Spagna e dell'Istituto di Astrofisica in Germania hanno recentemente proposto un nuovo metodo che potrebbe essere utilizzato per simulare la materia oscura sfocata che forma un alone galattico. Questo metodo, introdotto in un documento pubblicato in Physical Review Letters , si basa sull'adattamento di un algoritmo che il team ha introdotto nei suoi lavori precedenti.
"La sfida numerica per gli studi incentrati sulla materia oscura sfocata è che le sue caratteristiche distintive, le fluttuazioni della densità granulare negli aloni e nei filamenti collassati, sono ordini di grandezza più piccoli di qualsiasi scatola di simulazione cosmologica abbastanza grande da catturare accuratamente la dinamica del web cosmico", Bodo Schwabe, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Pertanto, per anni le persone hanno cercato di combinare metodi numerici efficienti che catturano le dinamiche su larga scala con algoritmi che richiedono calcoli ma possono evolvere con precisione queste fluttuazioni di densità."
Come parte del loro recente studio, Schwabe e il suo collega Jens C. Niemeyer hanno adattato e migliorato un algoritmo che avevano introdotto nel loro lavoro precedente. Finora, il metodo che hanno sviluppato è l'unico che può essere utilizzato con successo per condurre simulazioni cosmologiche confuse della materia oscura.
Utilizzando il loro algoritmo adattato, i ricercatori sono stati in grado di simulare il collasso della rete del cosmo in filamenti e aloni. Ciò è stato ottenuto utilizzando il cosiddetto "metodo n-body", che divide il "campo di densità iniziale" in piccole particelle che si evolvono liberamente sotto la forza di gravità.
"Il metodo n-body è un metodo molto stabile, ben testato ed efficiente, ma non cattura le fluttuazioni di densità del campo di materia oscura sfocata interferente nei filamenti e negli aloni", ha spiegato Schwabe. "In un minuscolo sottovolume della nostra scatola di simulazione che traccia al centro un alone preselezionato, siamo quindi passati a un algoritmo diverso, noto come metodo delle differenze finite, che evolve direttamente la funzione d'onda fuzzy della materia oscura e può quindi catturarne l'interferenza modalità che producono le caratteristiche fluttuazioni della densità granulare."
Sebbene i metodi n-body e alle differenze finite siano ampiamente utilizzati dall'astrofisica in tutto il mondo per eseguire simulazioni cosmologiche, raramente sono stati usati insieme. Per eseguire le loro simulazioni, Schwabe e Niemeyer hanno combinato questi due metodi, basandosi sulla moderazione tra di loro sulla superficie del sottovolume.
Più specificamente, il metodo che hanno utilizzato promuove le particelle di n-corpo a pacchetti d'onda coerenti noti come "fasci gaussiani". La sovrapposizione di questi elementi ha portato a una funzione d'onda sfocata della materia oscura alla loro intersezione, che alla fine ha permesso di eseguire le loro simulazioni.
"La nostra riuscita combinazione dei metodi n-body e alle differenze finite apre la strada a simulazioni cosmologiche confuse della materia oscura", ha aggiunto Schwabe. "These simulations can include the collision of two or more fuzzy dark matter halos, the evolution of star clusters inside a halo, or their interaction with the central solitonic core whose random walk can potentially heat up or even disrupt the star cluster." + Esplora ulteriormente
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