Materia întunecată ar putea fi, de fapt, un superfluid cosmic, susține o nouă teorie

Cercetări recente sugerează că, în loc să fie lipsită de structură, materia întunecată ar putea de fapt să se comporte ca un superfluid cosmic, formând linii de vortex și nuclee rotative stabile, cunoscute sub numele de solitoni, în interiorul galaxiilor.

Dacă această teorie se confirmă, ea ar putea schimba radical modul în care oamenii de știință înțeleg arhitectura ascunsă a cosmosului — de la inimile galaxiilor până la structurile uriașe care le conectează.

• Unul dintre cele mai strălucitoare evenimente din Cosmos devine tot mai strălucitor
• Neuroștiință și comportament social: De ce unii oameni par că nu simt niciodată jenă?

Materia întunecată reprezintă aproximativ 85% din toată materia din Univers. Ea nu emite și nici nu absoarbe lumină, fiind invizibilă pentru telescoape. În mod tradițional, oamenii de știință au descris-o ca un fluid fără coliziuni, model numit materie întunecată rece (CDM).

Acest model explică bine structurile de scară mare, cum ar fi roiurile de galaxii, dar întâmpină dificultăți la scara galaxiilor, unde observațiile arată nuclee netede, nu vârfuri de densitate abrupte, așa cum prezice CDM.

Pentru a rezolva această enigmă, cercetătorii au propus modele bazate pe particule ultraușoare de tip axion, cu mase între 10⁻²² și un electronvolt. Aceste particule sunt atât de ușoare încât se comportă mai degrabă ca unde decât ca particule discrete, mișcarea lor fiind descrisă de ecuația Schrödinger.

Transformarea materiei întunecate într-un superfluid

Atunci când aceste particule prezintă și interacțiuni de respingere între ele, comportamentul lor devine asemănător cu cel al unui superfluid cuantic, guvernat de ecuația neliniară Schrödinger, numită ecuația Gross–Pitaevskii — aceeași care descrie condensatele Bose–Einstein din laboratoarele terestre.

În astfel de superfluide, rotația nu se manifestă continuu, ca într-un lichid obișnuit. În schimb, rotația apare doar prin vortexuri cuantice, regiuni minuscule unde faza fluidului devine singulară, formând „vârtejuri” microscopice. Așadar, dacă materia întunecată se comportă ca un astfel de superfluid cuantic, ar putea și ea să formeze vortexuri în interiorul halourilor sale galactice rotative?

Pentru a afla, cercetătorii au combinat calcule analitice și simulări numerice detaliate ale halourilor de materie întunecată în rotație. Ei s-au concentrat pe regimul Thomas–Fermi, unde dimensiunea haloului este mult mai mare decât lungimea de undă tipică de Broglie a particulelor de materie întunecată.

Simulările au început cu halouri sferice de materie întunecată ultraușoară cărora li s-a dat un mic impuls de moment cinetic, rezultând o rotație ușoară la scară cosmică.

Un nucleu dens și stabil

În timpul necesar pentru ca materia să răspundă la forțele gravitaționale, haloul a suferit o transformare spectaculoasă: a dezvoltat un soliton rotativ — un nucleu dens și stabil, care se rotea ca un corp solid.

Această rotație nu provenea dintr-o simplă rotație mecanică a întregii funcții de undă, ci dintr-o rețea de linii de vortex care străbăteau haloul, scrie InterestingEngineering.

Aceste linii de vortex — echivalentul cosmic al vârtejurilor — s-au aliniat cu direcția rotației totale a haloului. În planul ecuatorial, ele s-au aranjat într-o rețea regulată, creând o rotație netedă, de tip „corp solid”.

Structura generală semăna cu un sferoid turtit de-a lungul axei de rotație și s-a dovedit stabilă dinamic, atâta timp cât energia de rotație rămânea mai mică decât energiile gravitaționale și de auto-interacțiune.

Descoperirea ar putea revoluționa cosmologia și fizica particulelor

Interesant este că simulările au arătat că aceste vortexuri ar putea acționa ca „schele cuantice” în interiorul haloului de materie întunecată, iar cercetătorii sugerează că liniile de vortex ar putea chiar conecta halourile vecine.

Dacă materia întunecată se comportă cu adevărat ca un superfluid plin de vortexuri cuantice, aceasta ar putea revoluționa cosmologia și fizica particulelor.

Un astfel de model ar explica în mod natural rotația netedă a galaxiilor fără a necesita nuclee dense și ar putea prezice semnături gravitaționale unice.

Descoperirile construiesc, de asemenea, o legătură neașteptată între fizica cuantică și cosmologie: aceleași ecuații care descriu atomii reci aproape de zero absolut în experimentele cu condensate Bose–Einstein ar putea descrie materia invizibilă care modelează galaxiile la miliarde de ani-lumină depărtare.

Vă mai recomandăm să citiți și:

Materia întunecată ar putea transforma unele planete în găuri negre minuscule

Cercetătorii spun că materia întunecată ar da semnale de existență

Un „radio cosmic” ar putea descoperi materia întunecată în 15 ani

A fost creată Inteligența Artificială care poate detecta materia întunecată