La naturaleza de la materia oscura continúa siendo uno de los mayores enigmas en el campo de la cosmología. En el marco estándar de la materia oscura fría no colisional (CDM, por sus siglas en inglés), se consideran diversos modelos, entre los que se encuentran los WIMPs (Partículas Masivas Débilmente Interactivas), agujeros negros primordiales y partículas similares a axiones ultraligeras. Estas últimas, con masas que oscilan entre 10-22 y 1 eV/c2, presentan un comportamiento de onda, descrito mediante una ecuación de Schrödinger, en lugar de comportarse como un conjunto de partículas puntuales. Este enfoque genera comportamientos específicos a pequeñas escalas, mientras que a grandes escalas se adhiere a la dinámica estándar de la CDM.
Investigadores del Instituto de Física Teórica, Philippe Brax y Patrick Valageas, han explorado modelos de materia oscura fría ultraligera con interacciones auto-repulsivas. La dinámica de estos modelos se describe mediante una variante no lineal de la ecuación de Schrödinger, conocida como la ecuación de Gross-Pitaevskii, que también se encuentra en la física de superfluidos y condensados de Bose-Einstein. En su trabajo, los autores estudian la formación y dinámica de estructuras específicas, denominadas «vórtices» y «solitones», dentro de halos de materia oscura ultraligera en rotación.
Al igual que en un superfluido analizado en laboratorio, estos modelos describen los núcleos de materia oscura mediante las ecuaciones de un fluido «irrotacional». Este sistema solo puede mantener una rotación general a través de la aparición de singularidades, es decir, «vórtices». Mediante un enfoque analítico y numérico, los autores demuestran que los halos de materia oscura en rotación generan efectivamente tales vórtices, que se organizan en una red estable en el núcleo del halo. Estos vórtices poseen un momento angular cuantizado, el cual depende de la masa de la partícula de materia oscura. A causa de la fuerza centrífuga, el «solitón», o núcleo de materia oscura, adquiere una forma aplanada y simétrica en torno a un eje.
Implicaciones para la detección de materia oscura
La posible existencia de estos vórtices podría ofrecer una nueva vía para detectar materia oscura ultraligera. Por ejemplo, se podría analizar las firmas gravitacionales que dejan en las galaxias. Resulta también interesante investigar la posible conexión entre estas «líneas de vórtices» y los filamentos de la red cósmica. De este modo, los vórtices, análogos a los observados en la física cuántica de superfluidos, podrían existir en halos de materia oscura en escalas astrofísicas o galácticas.
Más información:
Philippe Brax et al, 3D vortices and rotating solitons in ultralight dark matter, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/s91m-pldz
Philippe Brax et al, Vortices and rotating solitons in ultralight dark matter, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/physrevd.111.103527
Proporcionado por CEA Paris-Saclay
