In questa illustrazione, la traiettoria della luce cosmica di fondo a microonde (CMB) è piegata da strutture note come filamenti che sono invisibili ai nostri occhi, creando un effetto noto come lente debole catturato dal satellite Planck (a sinistra), un osservatorio spaziale I ricercatori hanno utilizzato i computer per studiare questa lente debole della CMB e produrre una mappa dei filamenti, che in genere coprono centinaia di anni luce di lunghezza. Credito:Siyu He, Shadab Alam, Wei Chen, e Planck/ESA
Gli scienziati hanno decodificato deboli distorsioni nei modelli della prima luce dell'universo per mappare enormi strutture simili a tubi invisibili ai nostri occhi – note come filamenti – che fungono da superautostrade per fornire materia a centri densi come gli ammassi di galassie.
Il team scientifico internazionale, che comprendeva ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'UC Berkeley del Dipartimento dell'energia, ha analizzato i dati delle precedenti rilevazioni del cielo utilizzando una sofisticata tecnologia di riconoscimento delle immagini per individuare gli effetti basati sulla gravità che identificano le forme di questi filamenti. Hanno anche usato modelli e teorie sui filamenti per guidare e interpretare la loro analisi.
Pubblicato il 9 aprile sulla rivista Astronomia della natura , l'esplorazione dettagliata dei filamenti aiuterà i ricercatori a comprendere meglio la formazione e l'evoluzione della rete cosmica - la struttura su larga scala della materia nell'universo - compreso il misterioso, roba invisibile conosciuta come materia oscura che costituisce circa l'85% della massa totale dell'universo.
La materia oscura costituisce i filamenti - che i ricercatori hanno appreso in genere si allungano e si piegano attraverso centinaia di milioni di anni luce - e i cosiddetti aloni che ospitano gli ammassi di galassie sono alimentati dalla rete universale di filamenti. Ulteriori studi su questi filamenti potrebbero fornire nuove intuizioni sull'energia oscura, un altro mistero dell'universo che guida la sua espansione accelerata.
Le proprietà dei filamenti potrebbero anche mettere alla prova le teorie sulla gravità, compresa la teoria della relatività generale di Einstein, e forniscono importanti indizi per aiutare a risolvere un'apparente discrepanza nella quantità di materia visibile prevista nell'universo:il "problema del barione mancante".
"Di solito i ricercatori non studiano direttamente questi filamenti:guardano le galassie nelle osservazioni, " ha detto Shirley Ho, uno scienziato senior al Berkeley Lab e professore associato di fisica Cooper-Siegel alla Carnegie Mellon University che ha guidato lo studio. "Abbiamo utilizzato gli stessi metodi per trovare i filamenti che Yahoo e Google utilizzano per il riconoscimento delle immagini, come riconoscere i nomi dei segnali stradali o trovare i gatti nelle fotografie".
Le strutture dei filamenti nella rete cosmica sono mostrate in diversi periodi di tempo, che vanno da quando l'universo aveva 12,3 miliardi di anni (a sinistra) a quando l'universo aveva 7,4 miliardi di anni (a destra). L'area nell'animazione si estende su 7, 500 gradi quadrati di spazio. L'evidenza è più forte per le strutture dei filamenti rappresentate in blu. Altre probabili strutture di filamenti sono sfumate di viola, magenta, e rosso. Credito:Yen-Chi Chen e Shirley Ho
Lo studio ha utilizzato i dati del Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, o CAPO, un'indagine del cielo basata sulla Terra che ha catturato la luce da circa 1,5 milioni di galassie per studiare l'espansione dell'universo e la distribuzione modellata della materia nell'universo messa in movimento dalla propagazione delle onde sonore, o "oscillazioni acustiche barioniche, "increspatura nell'universo primordiale.
Il team di indagine BOSS, che ha caratterizzato gli scienziati del Berkeley Lab in ruoli chiave, ha prodotto un catalogo di probabili strutture di filamenti che collegavano gruppi di materia da cui i ricercatori hanno attinto nell'ultimo studio.
I ricercatori si sono inoltre affidati a precisi, misurazioni spaziali del fondo cosmico a microonde, o CMB, che è il segnale residuo quasi uniforme della prima luce dell'universo. Sebbene questa firma luminosa sia molto simile in tutto l'universo, ci sono fluttuazioni regolari che sono state mappate nelle precedenti indagini.
Nell'ultimo studio, i ricercatori si sono concentrati sulle fluttuazioni modellate nel CMB. Hanno usato sofisticati algoritmi informatici per cercare l'impronta dei filamenti dalle distorsioni basate sulla gravità nel CMB, noti come effetti di lente debole, che sono causati dalla luce CMB che passa attraverso la materia.
Poiché le galassie vivono nelle regioni più dense dell'universo, il debole segnale di lente dalla deflessione della luce CMB è più forte da quelle parti. La materia oscura risiede negli aloni intorno a quelle galassie, ed era anche noto per diffondersi da quelle aree più dense in filamenti.
"Sapevamo che questi filamenti avrebbero dovuto causare anche una deflessione del CMB e avrebbero anche prodotto un debole segnale di lente gravitazionale misurabile, " disse Siyu He, l'autore principale dello studio che è un dottorato di ricerca. ricercatrice della Carnegie Mellon University - ora è al Berkeley Lab ed è anche affiliata alla UC Berkeley. Il team di ricerca ha utilizzato tecniche statistiche per identificare e confrontare le "creste, "o punti di maggiore densità che le teorie li hanno informati indicherebbero la presenza di filamenti.
"Non stavamo solo cercando di 'collegare i punti', stavamo cercando di trovare queste creste nella densità, i punti di massimo locale in densità, " ha detto. Hanno verificato le loro scoperte con altri dati di filamenti e ammassi di galassie, e con "finzioni, " o filamenti simulati basati su osservazioni e teorie. Il team ha utilizzato grandi simulazioni cosmologiche generate presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab, Per esempio, per verificare la presenza di errori nelle loro misurazioni.
I filamenti e le loro connessioni possono cambiare forma e connessioni su scale temporali di centinaia di milioni di anni. Le forze in competizione tra l'attrazione di gravità e l'espansione dell'universo possono accorciare o allungare i filamenti.
"I filamenti sono questa parte integrante della rete cosmica, anche se non è chiaro quale sia la relazione tra la materia oscura sottostante e i filamenti, " e questa è stata una motivazione primaria per lo studio, ha detto Simone Ferraro, uno degli autori dello studio che è un borsista post-dottorato Miller presso il Center for Cosmological Physics dell'UC Berkeley.
Nuovi dati da esperimenti esistenti, e le indagini del cielo di nuova generazione come il Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) condotto da Berkeley Lab, ora in costruzione presso il Kitt Peak National Observatory in Arizona, dovrebbero fornire dati ancora più dettagliati su questi filamenti, Ha aggiunto.
I ricercatori hanno notato che questo importante passo nell'indagare le forme e le posizioni dei filamenti dovrebbe essere utile anche per studi mirati che cercano di identificare quali tipi di gas abitano i filamenti, le temperature di questi gas, e i meccanismi di come le particelle entrano e si muovono nei filamenti. Lo studio ha anche permesso loro di determinare la lunghezza dei filamenti.
Siyu He ha detto che la risoluzione della struttura dei filamenti può anche fornire indizi sulle proprietà e sul contenuto dei vuoti nello spazio attorno ai filamenti, e "aiutare con altre teorie che sono modifiche della relatività generale, " lei disse.
Ho aggiunto, "Possiamo anche usare questi filamenti per vincolare l'energia oscura:la loro lunghezza e larghezza potrebbero dirci qualcosa sui parametri dell'energia oscura".
