De fusiones binarias a vórtices estacionarios: estructuras con momento angular en materia oscura bosónica y su impacto sobre un gas ideal

Abstract

This work studies the dynamical behavior of self-gravitating configurations of bosonic dark matter in the form of a Bose–Einstein condensate (BECDM) under two main contexts: binary soliton mergers and the evolution of vortices with angular momentum in the presence of baryonic gas. The physical system is modeled using the Gross–Pitaevskii–Poisson–Euler (GPPE) equations, solved through three-dimensional simulations with the CAFE-BECDM code. First, stationary solutions of the GPPE system were constructed for spherical and axially rotating configurations, including the effects of repulsive self-interaction. An empirical fit was proposed for the solitonic density profile, which explicitly depends on the auto-interaction and on the central amplitude of the field. These solutions served as base states for studying the dynamics of binary mergers. Simulations of collisions between two boson stars were carried out, both with and without coupled gas, analyzing the impact of the auto-interaction and the mass ratio between both components. It was found that repulsive self-interaction and the presence of a baryonic component favor mass retention on bosonic dark matter and stabilize the final structure. Additionally, a core–halo structure was observed in the bosonic matter in all cases, confirming the robustness of the system. On the other hand, configurations with vortex lines were analyzed, evolving within a random environment of ideal gas. The results showed that vortex lines in BECDM are stable structures even under baryonic perturbations. In such configuration, the gas tends to condense around the vortex core, forming gravitationally induced coherent structures. Taken together, these results highlight the fundamental role played by internal interactions of dark matter and its gravitational coupling with baryonic matter in the formation and stability of structures. The configurations obtained could have relevant observational implications in cosmological and galactic scenarios, particularly within the framework of ultralight dark matter models.

En este trabajo se estudia el comportamiento dinámico de configuraciones autogravitantes de materia oscura bosónica tipo condensado de Bose–Einstein (BECDM, por sus siglas en inglés) bajo dos contextos principales: fusiones binarias de solitones y evolución de vórtices con momento angular en presencia de gas bariónico. El sistema físico se modela con las ecuaciones de Gross–Pitaevskii–Poisson–Euler (GPPE), resueltas mediante simulaciones tridimensionales con el código CAFE-BECDM. Primero, se construyeron soluciones estacionarias del sistema GPPE para configuraciones esféricas y con vorticidad axial, incluyendo los efectos de autointeracción. Se propuso un ajuste empírico para el perfil de densidad solitónico, el cual depende explícitamente de la autointeracción y de la amplitud central del campo. Estas soluciones sirvieron como estados base para estudiar la dinámica de fusiones binarias. Se realizaron simulaciones de colisiones entre dos estrellas de bosones, con y sin gas acoplado, analizando el impacto de la autointeracción y del cociente de masas entre ambas componentes. Se encontró que la autointeracción repulsiva y la presencia de la componente bariónica favorecen la retención de masa de la componente bosónica y estabilizan la estructura final. Además, se observó una estructura núcleo-halo resultante en la materia bosónica en todos los casos, confirmando la robustez del sistema. Por otro lado, se analizaron configuraciones con líneas de vórtice, evolucionando dentro de un entorno aleatorio de gas ideal. Los resultados mostraron que las líneas de vórtice en BECDM son estructuras estables incluso ante perturbaciones bariónicas. En dicha configuración el gas tiende a condensarse alrededor del núcleo del vórtice, formando estructuras coherentes inducidas gravitacionalmente. En conjunto, estos resultados resaltan el papel fundamental que juegan las interacciones internas de la materia oscura y su acoplamiento gravitacional con materia bariónica en la formación y estabilidad de estructuras. Las configuraciones obtenidas podrían tener implicaciones observacionales relevantes en escenarios cosmológicos y galácticos, particularmente dentro del marco de modelos de materia oscura ultraligera.