La materia nell'universo non è distribuita equamente. È dominato dai super-cluster e dai filamenti di materia che li uniscono, circondati da enormi vuoti. I super-cluster Galaxy sono in cima alla gerarchia. All'interno di tutto ciò c'è tutto: gruppi e ammassi di galassie, singole galassie e sistemi solari. Questa struttura gerarchica è chiamata il "Web cosmico".
Ma come e perché l'Universo ha preso questa forma?
Un team di astronomi e informatici dell'Università della California di Santa Cruz ha adottato un approccio interessante per capirlo. Hanno costruito un modello computerizzato basato sui modelli di crescita degli stampi di melma. Questa non è la prima volta che gli stampi di melma hanno contribuito a spiegare altri schemi in natura.
Il team ha pubblicato uno studio che delinea i loro risultati dal titolo "Rivelare i fili oscuri della rete cosmica". L'autore principale è Joseph Burchett, ricercatore post-dottorato in astronomia e astrofisica presso l'UC Santa Cruz. Lo studio è stato pubblicato in The Astrophysical Journal Letters.
La moderna teoria cosmologica prevede che la materia prenderà la forma di questi super-cluster e filamenti e dei vasti vuoti che li separano. Ma fino agli anni '80, gli scienziati pensavano che i cluster di galassie fossero la struttura più grande, e pensavano anche che quei cluster fossero distribuiti uniformemente in tutto l'Universo.
Quindi sono stati scoperti i super-cluster. Quindi gruppi di quasar. Continuò, con sempre più scoperte di strutture e vuoti. Poi è arrivato Sloan Digital Sky Survey e un'enorme mappa 3D dell'Universo e altri sforzi come la Millennium Simulation.
I filamenti di materia che collegano tutti questi superammassi e gruppi di galassie sono difficili da vedere. Per la maggior parte, è solo idrogeno diffuso. Ma gli astronomi sono riusciti a intravederlo.
Inserisci lo stampo melma. Le muffe di melma sono organismi monocellulari che vivono perfettamente bene come singole cellule, ma formano anche in modo autonomo strutture multicellulari aggregate. Quando il cibo è abbondante agiscono da soli, ma quando il cibo è più scarso, si uniscono. Nello stato collettivo sono più in grado di rilevare sostanze chimiche, trovare cibo e persino formare gambi che producono spore.
Gli stampi di melma sono creature straordinarie e gli scienziati sono rimasti perplessi e incuriositi dalla capacità della creatura di "creare reti di distribuzione ottimali e risolvere problemi di organizzazione spaziale computazionalmente difficili", come afferma un comunicato stampa. Nel 2018, gli scienziati giapponesi hanno riferito che uno stampo di melma è stato in grado di replicare il layout del sistema ferroviario di Tokyo.
Oskar Elek è ricercatore post dottorato in media computazionali presso la U of C di Santa Cruz. Ha suggerito di guidare l'autore Joseph Burchett che gli stampi di melma potrebbero essere in grado di imitare la distribuzione cosmica della materia e fornire un modo per visualizzarla.
Burchett era inizialmente scettico.
"È stato un po 'un momento Eureka e mi sono convinto che il modello di muffa melma fosse la strada da percorrere per noi."
Joseph Burchett, autore principale. U di C, Santa Cruz.
Attingendo all'ispirazione 2-D dal mondo dell'arte, Elek e un altro programmatore hanno creato un algoritmo 3-D del comportamento degli stampi di melma che chiamano Monte Carlo Physarum Machine. Physarum è un organismo modello utilizzato in tutti i tipi di ricerca.
Burchett ha deciso di fornire i dati Elek dello Sloan Digital Sky Survey che conteneva 37.000 galassie e la loro distribuzione nello spazio. Quando hanno eseguito l'algoritmo di muffa melma, il risultato è stato "una rappresentazione abbastanza convincente della rete cosmica".
"È stato un po 'un momento Eureka e mi sono convinto che il modello di muffa melma fosse la strada da percorrere per noi", ha detto Burchett. "È un po 'una coincidenza che funzioni, ma non del tutto. Uno stampo di melma crea una rete di trasporto ottimizzata, trovando i percorsi più efficienti per collegare le fonti alimentari. Nel web cosmico, la crescita della struttura produce reti che sono anche, in un certo senso, ottimali. I processi sottostanti sono diversi, ma producono strutture matematiche analoghe. "
Ma anche se è avvincente, lo stampo di melma era solo una rappresentazione visiva della struttura su larga scala. La squadra non si è fermata qui. Hanno perfezionato l'algoritmo e fatto ulteriori test per provare a convalidare il loro modello.
Qui è dove Dark Matter entra nella storia. In un certo senso, la struttura su larga scala dell'Universo è la distribuzione su larga scala di Dark Matter. Le galassie si formano in enormi aloni della Materia Oscura, con lunghe strutture filamentali che le collegano. La materia oscura comprende circa l'85% della materia nell'universo e l'attrazione gravitazionale di tutta quella materia oscura modella la distribuzione della materia "normale".
Il team di ricercatori ha ottenuto un catalogo di aloni di materia oscura da un'altra simulazione scientifica. Quindi hanno eseguito il loro algoritmo basato sulla melma-muffa con quei dati, per vedere se poteva replicare la rete di filamenti che collegava tutti quegli aloni. Il risultato è stato una correlazione molto stretta con la simulazione originale.
"A partire da 450.000 aloni di materia oscura, possiamo ottenere un adattamento quasi perfetto ai campi di densità nella simulazione cosmologica", ha affermato Elek nel comunicato stampa.
L'algoritmo della muffa melma replicò la rete filamentosa, ei ricercatori hanno usato questi risultati per perfezionare ulteriormente il loro algoritmo.
A quel punto, il team possedeva una previsione della struttura della struttura su larga scala e della rete cosmica che collegava tutto. Il passo successivo è stato quello di confrontarlo con una diversa serie di dati osservativi. Per questo, sono andati al venerabile telescopio spaziale Hubble. Il telescopio Cosmic Origins Spectrograph (COS) studia la struttura su larga scala dell'Universo attraverso la spettroscopia del gas intergalattico. Quel gas non emette luce propria, quindi la spettroscopia è la chiave. Piuttosto che concentrarsi sul gas stesso, il COS studia la luce proveniente da quasar distanti mentre passa attraverso il gas e in che modo il gas intergalattico influenza quella luce.
"Sapevamo dove dovevano essere i filamenti della rete cosmica grazie alla muffa melmosa, quindi potevamo andare agli spettri Hubble archiviati per i quasar che sondano quello spazio e cercare le firme del gas", ha spiegato Burchett. "Ovunque abbiamo visto un filamento nel nostro modello, gli spettri di Hubble hanno mostrato un segnale di gas e il segnale è diventato più forte verso la metà dei filamenti dove il gas dovrebbe essere più denso."
Ciò richiede un altro Eureka.
"Per la prima volta ora, possiamo quantificare la densità del mezzo intergalattico dalla periferia remota dei filamenti della ragnatela cosmica agli interni caldi e densi degli ammassi di galassie", ha detto Burchett. "Questi risultati non solo confermano la struttura della rete cosmica prevista dai modelli cosmologici, ma ci danno anche un modo per migliorare la nostra comprensione dell'evoluzione delle galassie collegandola ai serbatoi di gas da cui si formano le galassie."
Questo studio mostra cosa si può realizzare quando diversi ricercatori escono dai loro silos e cooperano attraverso diverse discipline. La cosmologia, l'astronomia, la programmazione informatica, la biologia e persino l'arte hanno contribuito a questo risultato molto interessante.
"Penso che possano esserci reali opportunità quando si integrano le arti nella ricerca scientifica", ha affermato il coautore Angus Forbes del laboratorio di codifica creativa UCSC. "Gli approcci creativi alla modellizzazione e alla visualizzazione dei dati possono portare a nuove prospettive che ci aiutano a dare un senso a sistemi complessi."
Di Più:
- Comunicato stampa: gli astronomi usano il modello di muffa melma per rivelare fili scuri della rete cosmica
- Documento di ricerca: rivelare i fili oscuri della rete cosmica
- Space Magazine: la nuova mappa 3D mostra strutture su larga scala nell'universo 9 miliardi di anni fa
