A matéria no universo não é distribuída igualmente. É dominado por super aglomerados e os filamentos de matéria que os unem, cercados por grandes vazios. Os super aglomerados de galáxias estão no topo da hierarquia. Dentro desses, existe todo o resto: grupos e aglomerados de galáxias, galáxias individuais e sistemas solares. Essa estrutura hierárquica é chamada de "Web cósmica".
Mas como e por que o Universo tomou essa forma?
Uma equipe de astrônomos e cientistas da computação da Universidade da Califórnia em Santa Cruz adotou uma abordagem interessante para descobrir isso. Eles construíram um modelo de computador baseado nos padrões de crescimento dos fungos. Esta não é a primeira vez que os fungos ajudam a explicar outros padrões da natureza.
A equipe publicou um estudo descrevendo seus resultados intitulado "Revelando os fios escuros da web cósmica". O principal autor é Joseph Burchett, pesquisador de pós-doutorado em astronomia e astrofísica na UC Santa Cruz. O estudo foi publicado no The Astrophysical Journal Letters.
A teoria cosmológica moderna prevê que a matéria tomará a forma desses super aglomerados e filamentos e os vastos vazios que os separam. Mas até a década de 1980, os cientistas pensavam que os aglomerados de galáxias eram a maior estrutura e também pensavam que esses aglomerados eram distribuídos uniformemente por todo o Universo.
Em seguida, superclusters foram descobertos. Depois grupos de quasares. Continuou, com mais e mais descobertas de estruturas e vazios. Depois veio o Sloan Digital Sky Survey e um enorme mapa 3D do universo, além de outros esforços, como a simulação do milênio.
Os filamentos da matéria que conectam todos esses super aglomerados e grupos de galáxias são difíceis de ver. Na maioria das vezes, é apenas hidrogênio difuso. Mas os astrônomos conseguiram vislumbrar isso.
Digite o molde de lodo. Os fungos slime são organismos unicelulares que vivem perfeitamente como células únicas, mas também formam autonomamente estruturas multicelulares agregadas. Quando a comida é abundante, eles agem sozinhos, mas quando a comida é mais escassa, eles se unem. No estado coletivo, eles são melhores em detectar produtos químicos, encontrar comida e até formar caules que produzem esporos.
Os mofos são criaturas notáveis, e os cientistas ficaram intrigados e intrigados com a capacidade da criatura de "criar redes de distribuição ideais e resolver problemas de organização espacial computacionalmente difíceis", como diz um comunicado à imprensa. Em 2018, cientistas japoneses relataram que um mofo foi capaz de replicar o layout do sistema ferroviário de Tóquio.
Oskar Elek é um pesquisador de pós-doutorado em mídia computacional na U of C, Santa Cruz. Ele sugeriu ao autor principal Joseph Burchett que os fungos podem imitar a distribuição cósmica da matéria e fornecer uma maneira de visualizá-la.
Burchett estava cético, inicialmente.
"Foi um momento de Eureka, e fiquei convencido de que o modelo de mofo era o caminho a seguir para nós".
Joseph Burchett, autor principal. U de C, Santa Cruz.
Inspirando-se na inspiração 2D do mundo da arte, Elek e outro programador criaram um algoritmo 3D de comportamento de mofo que eles chamam de Monte Carlo Physarum Machine. Physarum é um organismo modelo usado em todos os tipos de pesquisa.
Burchett decidiu fornecer dados à Elek do Sloan Digital Sky Survey, que continha 37.000 galáxias e sua distribuição no espaço. Quando eles executaram o algoritmo de mofo, o resultado foi "uma representação bastante convincente da teia cósmica".
"Foi um momento de Eureka, e fiquei convencido de que o modelo de mofo era o caminho a seguir", disse Burchett. "É um tanto coincidente que funcione, mas não totalmente. Um mofo cria uma rede de transporte otimizada, encontrando os caminhos mais eficientes para conectar fontes de alimentos. Na rede cósmica, o crescimento da estrutura produz redes que também são, em certo sentido, ótimas. Os processos subjacentes são diferentes, mas eles produzem estruturas matemáticas que são análogas. ”
Mas, apesar de atraente, o mofo era apenas uma representação visual da estrutura em grande escala. A equipe não parou por aí. Eles refinaram o algoritmo e fizeram testes adicionais para tentar validar seu modelo.
É aqui que a Dark Matter entra na história. De certa forma, a estrutura em larga escala do Universo é a distribuição em larga escala da Matéria Negra. As galáxias se formam em enormes halos de Matéria Negra, com longas estruturas filamentais que as conectam. A Matéria Negra compreende cerca de 85% da matéria no Universo, e a atração gravitacional de toda a Matéria Negra molda a distribuição da matéria "regular".
A equipe de pesquisadores se apossou de um catálogo de halos de matéria escura de outra simulação científica. Em seguida, eles executaram seu algoritmo baseado em mofo com esses dados, para ver se ele poderia replicar a rede de filamentos conectando todos esses halos. O resultado foi uma correlação muito estreita com a simulação original.
"Começando com 450.000 halos de matéria escura, podemos ajustar quase perfeitamente os campos de densidade na simulação cosmológica", disse Elek no comunicado à imprensa.
O algoritmo do molde de lodo replicou a rede filamental, e os pesquisadores usaram esses resultados para ajustar ainda mais o algoritmo.
Nesse ponto, a equipe possuía uma previsão da estrutura da estrutura em grande escala e da rede cósmica conectando tudo. O próximo passo foi compará-lo com um conjunto diferente de dados observacionais. Para isso, foram ao venerável Telescópio Espacial Hubble. O Espectrógrafo de Origens Cósmica (COS) do telescópio estuda a estrutura em larga escala do Universo através da espectroscopia de gás intergaláctico. Esse gás não emite nenhuma luz própria, portanto a espectroscopia é fundamental. Em vez de focar no próprio gás, o COS estuda a luz de quasares distantes à medida que passa através do gás e como o gás intergalático afeta essa luz.
“Sabíamos onde os filamentos da teia cósmica deveriam estar graças ao mofo, para que pudéssemos ir aos espectros arquivados do Hubble para os quasares que sondam esse espaço e procuram as assinaturas do gás”, explicou Burchett. "Onde quer que vimos um filamento em nosso modelo, os espectros do Hubble mostravam um sinal de gás, e o sinal ficava mais forte no meio dos filamentos onde o gás deveria ser mais denso."
Isso exige outro Eureka.
"Pela primeira vez, podemos quantificar a densidade do meio intergaláctico, desde a periferia remota dos filamentos cósmicos da web até os interiores quentes e densos dos aglomerados de galáxias", disse Burchett. "Esses resultados não apenas confirmam a estrutura da teia cósmica prevista pelos modelos cosmológicos, mas também nos oferecem uma maneira de melhorar nossa compreensão da evolução das galáxias, conectando-a aos reservatórios de gás dos quais as galáxias se formam".
Este estudo mostra o que pode ser realizado quando diferentes pesquisadores saem de seus silos e cooperam em diferentes disciplinas. Cosmologia, astronomia, programação de computadores, biologia e até arte contribuíram para esse resultado mais interessante.
"Acho que pode haver oportunidades reais quando você integra as artes à pesquisa científica", disse o coautor Angus Forbes, do laboratório de codificação criativa da UCSC. "Abordagens criativas para modelagem e visualização de dados podem levar a novas perspectivas que nos ajudam a entender sistemas complexos".
Mais:
- Comunicado de imprensa: Astrônomos usam modelo de mofo para revelar fios escuros da teia cósmica
- Artigo de pesquisa: Revelando os fios escuros da Web cósmica
- Space Magazine: Novo mapa 3D mostra estruturas de grande escala no universo há 9 bilhões de anos
