Onderzoekers ontwikkelden een wiskundig model dat de beweging beschrijft van donkere materiedeeltjes in de kleinste halo's van sterrenstelsels. Ze merkten dat in de loop van de tijd, donkere materie kan bolvormige druppeltjes kwantumcondensaat vormen. Eerder, dit werd als onmogelijk beschouwd, omdat fluctuaties van het zwaartekrachtveld geproduceerd door donkere materiedeeltjes werden genegeerd. De studie is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Donkere materie is een hypothetische vorm van materie die geen elektromagnetische straling uitzendt. Deze eigenschap maakt het zelfs moeilijk om het bestaan ​​ervan te bewijzen. De snelheid van donkere materiedeeltjes is laag, daarom worden ze vastgehouden door sterrenstelsels. Ze interageren zo zwak met elkaar en met de gewone materie dat alleen hun zwaartekrachtveld kan worden waargenomen; anders, donkere materie manifesteert zich op geen enkele manier. Elk sterrenstelsel is omgeven door een halo van donkere materie van veel grotere omvang en massa.

De meeste kosmologen geloven dat donkere materiedeeltjes een grote massa hebben, daarom is hun snelheid hoog. Nog, in de jaren 80, natuurkundigen realiseerden zich dat onder speciale omstandigheden, deze deeltjes kunnen in het vroege heelal met bijna nul snelheid worden geproduceerd, ongeacht hun massa. Ze kunnen ook erg licht zijn. Als gevolg hiervan, de afstanden waarop de kwantumaard van deze deeltjes duidelijk wordt, kunnen enorm zijn. In plaats van de nanometerschalen die gewoonlijk nodig zijn om kwantumverschijnselen in laboratoria waar te nemen, de "kwantum"-schaal voor dergelijke deeltjes kan vergelijkbaar zijn met de grootte van het centrale deel van onze melkweg.

De onderzoekers merkten op dat de donkere materiedeeltjes, als het bosonen zijn met voldoende kleine massa, kan een Bose-Einstein-condensaat vormen in de kleine halo's van sterrenstelsels of in nog kleinere substructuren vanwege hun zwaartekrachtinteracties. Dergelijke substructuren omvatten halo's van dwergstelsels - systemen van enkele miljarden sterren die aan elkaar zijn verbonden door zwaartekracht, en miniclusters - zeer kleine systemen die alleen door donkere materie worden gevormd. Het Bose-Einstein-condensaat is een toestand van kwantumdeeltjes die het laagste energieniveau bezetten, met de minste energie. Een Bose-Einstein-condensaat kan in het laboratorium bij lage temperaturen worden geproduceerd uit gewone atomen. Deze toestand van materie vertoont unieke eigenschappen, zoals supervloeibaarheid, het vermogen om zonder wrijving door kleine scheurtjes of haarvaten te gaan. Lichte donkere materie in de melkweg heeft een lage snelheid en een hoge concentratie. Onder deze voorwaarden, het zou uiteindelijk een Bose-Einstein-condensaat moeten vormen. Maar om dit te laten gebeuren, donkere materiedeeltjes moeten met elkaar interageren, maar voor zover we weten, ze werken alleen door zwaartekracht op elkaar in.

"In ons werk we simuleerden de beweging van een kwantumgas van licht, zwaartekracht interagerende donkere materiedeeltjes. We begonnen vanuit een gevirialiseerde staat met maximale vermenging, wat een beetje het tegenovergestelde is van het Bose-Einstein-condensaat. Na een zeer lange periode, 100, 000 keer langer dan de tijd die een deeltje nodig heeft om het simulatievolume te passeren, de deeltjes vormden spontaan een condensaat, die zich onmiddellijk vormde tot een bolvormige druppel, een Bose-ster, onder invloed van de zwaartekracht, " zei een van de auteurs, Dmitri Levkov, doctoraat bij natuurkunde, senior onderzoeker bij het Instituut voor Nucleair Onderzoek van de Russische Academie van Wetenschappen.

Dr. Levkov en zijn collega's, Alexander Panin en Igor Tkachov van het Instituut voor Kernfysica van de Russische Academie van Wetenschappen, concludeerde dat Bose-Einstein-condensaat zich kan vormen in de centra van halo's van dwergstelsels in een tijdspanne die korter is dan de levensduur van het heelal. Dit betekent dat Bose-sterren momenteel kunnen bestaan.

De auteurs waren de eersten die in computersimulaties de vorming van een Bose-Einstein-condensaat uit lichte donkere materie zagen. In eerdere numerieke studies, het condensaat was in de begintoestand al aanwezig, en Bose-sterren zijn eruit voortgekomen. Volgens een hypothese, het Bose-condensaat kan zich in het vroege heelal hebben gevormd lang voordat sterrenstelsels of miniclusters werden gevormd, maar betrouwbaar bewijs daarvoor ontbreekt momenteel. De auteurs toonden aan dat het condensaat wordt gevormd in de centra van kleine halo's, en ze zijn van plan om condensatie in het vroege heelal in verdere studies te onderzoeken.

De wetenschappers wijzen erop dat de Bose-sterren de bron kunnen zijn van snelle radio-uitbarstingen die momenteel geen kwantitatieve verklaring hebben. Lichte donkere materiedeeltjes die "axionen" worden genoemd, hebben een zeer zwakke wisselwerking met elektromagnetische velden en kunnen vervallen tot radiofotonen. Dit effect is verwaarloosbaar klein, maar in de Bose-ster, het kan resonant worden versterkt, als in een laser, en kan leiden tot gigantische radio-uitbarstingen.

"De volgende voor de hand liggende stap is om het aantal Bose-sterren in het universum te voorspellen en hun massa te berekenen in modellen met lichte donkere materie, " concludeerde Dmitry Levkov.