Un enfoque computacional inspirado en los patrones de crecimiento de un molde de limo amarillo brillante ha permitido a un equipo de astrónomos y científicos informáticos en la UC Santa Cruz rastrear los filamentos de la red cósmica que conecta las galaxias en todo el universo.
Sus resultados, publicados el 10 de marzo en Letras del diario astrofísico , proporcione la primera asociación concluyente entre el gas difuso en el espacio entre galaxias y la estructura a gran escala de la red cósmica predicha por la teoría cosmológica.
Según la teoría predominante, a medida que el universo evolucionó después del Big Bang, la materia se distribuyó en una red similar a una red de filamentos interconectados separados por enormes vacíos. Galaxias luminosas llenas de estrellas y planetas se formaron en las intersecciones y regiones más densas de la región.filamentos donde la materia está más concentrada. Los filamentos de gas de hidrógeno difuso que se extienden entre las galaxias son en gran medida invisibles, aunque los astrónomos han logrado vislumbrar partes de ellos.
Ninguno de los cuales parece tener nada que ver con un moho de baba llamado Physarum polycephalum, que generalmente se encuentra creciendo en troncos en descomposición y hojarasca en el suelo del bosque y a veces formando masas amarillas esponjosas en el césped. Pero Physarum tiene una larga historia de sorpresascientíficos con su capacidad de crear redes de distribución óptimas y resolver problemas de organización espacial computacionalmente difíciles. En un famoso experimento, un molde de limo reprodujo el diseño del sistema ferroviario de Japón conectando fuentes de alimentos dispuestas para representar las ciudades alrededor de Tokio.
Joe Burchett, investigador postdoctoral en astronomía y astrofísica en la UC Santa Cruz, había estado buscando una forma de visualizar la red cósmica a gran escala, pero se mostró escéptico cuando Oskar Elek, un investigador postdoctoral en medios computacionales, sugirió utilizarun algoritmo basado en Physarum. Después de todo, fuerzas completamente diferentes dan forma a la red cósmica y al crecimiento de un molde de limo.
Pero Elek, que siempre ha estado fascinado por los patrones en la naturaleza, quedó impresionado por las "biofabricaciones" Physarum del artista berlinés Sage Jenson. Comenzando con el modelo bidimensional Physarum que Jenson usó desarrollado originalmente en 2010 por Jeff Jones, Elek y un amigo programador Jan Ivanecky lo extendieron a tres dimensiones e hicieron modificaciones adicionales para crear un nuevo algoritmo que llamaron la Máquina Monte Carlo Physarum.
Burchett le dio a Elek un conjunto de datos de 37,000 galaxias del Sloan Digital Sky Survey SDSS, y cuando le aplicaron el nuevo algoritmo, el resultado fue una representación bastante convincente de la red cósmica.
"Ese fue un momento de Eureka, y me convencí de que el modelo de molde de limo era el camino a seguir para nosotros", dijo Burchett. "Es una coincidencia que funcione, pero no del todo. Un molde de limo crea un transporte optimizadored, encontrando las vías más eficientes para conectar las fuentes de alimentos. En la red cósmica, el crecimiento de la estructura produce redes que también son, en cierto sentido, óptimas. Los procesos subyacentes son diferentes, pero producen estructuras matemáticas que son análogas ".
Elek también señaló que "el modelo que desarrollamos está a varias capas de abstracción lejos de su inspiración original".
Por supuesto, una fuerte semejanza visual de los resultados del modelo con la estructura esperada de la red cósmica no prueba nada. Los investigadores realizaron una variedad de pruebas para validar el modelo mientras continuaban refinándolo.
Hasta ahora, las mejores representaciones de la red cósmica han surgido de las simulaciones por computadora de la evolución de la estructura en el universo, mostrando la distribución de la materia oscura a gran escala, incluidos los halos masivos de materia oscura en los que se forman las galaxias y los filamentos queconéctelos. La materia oscura es invisible, pero constituye alrededor del 85 por ciento de la materia en el universo, y la gravedad hace que la materia ordinaria siga la distribución de la materia oscura.
El equipo de Burchett utilizó datos de la simulación cosmológica Bolshoi-Planck, desarrollada por Joel Primack, profesor emérito de física en la Universidad de California en Santa Cruz, y otros para probar la máquina Monte Carlo Physarum. Después de extraer un catálogo de halos de materia oscura deEn la simulación, ejecutaron el algoritmo para reconstruir la red de filamentos que los conectaba. Cuando compararon el resultado del algoritmo con la simulación original, encontraron una estrecha correlación. El modelo de molde de limo esencialmente replicaba la red de filamentos en la simulación de materia oscura, y los investigadores pudieron usar la simulación para ajustar los parámetros de su modelo.
"Comenzando con 450,000 halos de materia oscura, podemos obtener un ajuste casi perfecto a los campos de densidad en la simulación cosmológica", dijo Elek.
Burchett también realizó lo que llamó un "control de cordura", comparando las propiedades observadas de las galaxias SDSS con las densidades de gas en el medio intergaláctico predichas por el modelo de moho de limo. La actividad de formación de estrellas en una galaxia debería correlacionarse con la densidad de suentorno galáctico, y Burchett se sintió aliviado al ver las correlaciones esperadas.
Ahora el equipo tenía una estructura prevista para la red cósmica que conectaba las 37,000 galaxias SDSS, que podían probar contra observaciones astronómicas. Para esto, utilizaron datos del Espectrógrafo de Orígenes Cósmicos del Telescopio Espacial Hubble. El gas intergaláctico deja una marca distintiva de absorción enel espectro de luz que lo atraviesa y las líneas de visión de cientos de quásares distantes perforan el volumen del espacio ocupado por las galaxias SDSS.
"Sabíamos dónde deberían estar los filamentos de la red cósmica gracias al moho de limo, por lo que podríamos ir a los espectros de Hubble archivados para los cuásares que investigan ese espacio y buscan las firmas del gas", explicó Burchett ".Dondequiera que vimos un filamento en nuestro modelo, los espectros del Hubble mostraron una señal de gas, y la señal se hizo más fuerte hacia la mitad de los filamentos donde el gas debería ser más denso ".
Sin embargo, en las regiones más densas, la señal se redujo. Esto también cumplió con las expectativas, dijo, porque el calentamiento del gas en esas regiones ioniza el hidrógeno, elimina los electrones y elimina la firma de absorción.
"Por primera vez ahora, podemos cuantificar la densidad del medio intergaláctico desde las afueras remotas de los filamentos de la red cósmica hasta los interiores cálidos y densos de los cúmulos de galaxias", dijo Burchett. "Estos resultados no solo confirman la estructura delred cósmica predicha por modelos cosmológicos, también nos brindan una forma de mejorar nuestra comprensión de la evolución de las galaxias al conectarla con los depósitos de gas a partir de los cuales se forman las galaxias ".
Burchett y Elek se conocieron a través del coautor Angus Forbes, profesor asociado de medios computacionales y director del laboratorio de codificación creativa UCSC en la Escuela de Ingeniería de Baskin. Burchett y Forbes comenzaron a colaborar después de reunirse en una noche de micrófono abierto para músicos en Santa Cruz, centrándose inicialmente en una aplicación de visualización de datos, que publicaron el año pasado.
Forbes también introdujo a Elek en el trabajo de Sage Jenson, no porque pensara que se aplicaría al proyecto web cósmico de Burchett, sino porque "él sabía que yo era un fanático de los patrones de la naturaleza", dijo Elek.
El coautor J. Xavier Prochaska, profesor de astronomía y astrofísica en la UCSC que ha realizado un trabajo pionero utilizando cuásares para investigar la estructura del medio intergaláctico, dijo: "Esta técnica creativa y su éxito inesperado resaltan el valor de las colaboraciones interdisciplinarias, dondeperspectivas y experiencias completamente diferentes se aplican a los problemas científicos ".
El laboratorio de codificación creativa de Forbes combina enfoques de artes de los medios, diseño y ciencias de la computación. "Creo que puede haber oportunidades reales cuando integra las artes en la investigación científica", dijo Forbes. "Los enfoques creativos para modelar y visualizar datos pueden conducir aa nuevas perspectivas que nos ayudan a dar sentido a los sistemas complejos "
Además de Burchett, Elek, Prochaska y Forbes, los coautores incluyen a Nicolas Tejos en la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Chile; Todd Tripp en la Universidad de Massachusetts, Amherst; y Rongmon Bordoloi en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. Este trabajofue apoyado por la NASA.
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Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Cruz . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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