Un approccio computazionale ispirato ai modelli di crescita di una muffa melmosa gialla brillante ha permesso a un team di astronomi e scienziati informatici dell'UC Santa Cruz di tracciare i filamenti della rete cosmica che collega le galassie in tutto l'universo.

I loro risultati, pubblicato il 10 marzo in Lettere per riviste astrofisiche , fornire la prima associazione conclusiva tra il gas diffuso nello spazio tra le galassie e la struttura su larga scala della rete cosmica prevista dalla teoria cosmologica.

Secondo la teoria prevalente, come l'universo si è evoluto dopo il big bang, la materia si distribuì in una rete simile a una ragnatela di filamenti interconnessi separati da enormi vuoti. Galassie luminose piene di stelle e pianeti si sono formate nelle intersezioni e nelle regioni più dense dei filamenti dove la materia è più concentrata. I filamenti di gas idrogeno diffuso che si estendono tra le galassie sono in gran parte invisibili, sebbene gli astronomi siano riusciti a intravederne parti.

Nessuno dei quali sembra avere niente a che fare con un umile stampo melmoso chiamato Physarum polycephalum, in genere si trova crescendo su tronchi in decomposizione e lettiera di foglie sul suolo della foresta e talvolta formando masse spugnose gialle sui prati. Ma Physarum ha una lunga storia di scienziati sorprendenti con la sua capacità di creare reti di distribuzione ottimali e risolvere problemi di organizzazione spaziale computazionalmente difficili. In un famoso esperimento, uno stampo di melma replicava il layout del sistema ferroviario giapponese collegando fonti di cibo disposte per rappresentare le città intorno a Tokyo.

Joe Burchet, un ricercatore post-dottorato in astronomia e astrofisica presso l'UC Santa Cruz, stava cercando un modo per visualizzare la rete cosmica su larga scala, ma era scettico quando Oskar Elek, un ricercatore post-dottorato in media computazionali, suggerito di utilizzare un algoritmo basato su Physarum. Dopotutto, forze completamente diverse modellano la rete cosmica e la crescita di una muffa melmosa.

Ma Elek, che è sempre stato affascinato dai modelli in natura, era stato colpito dalle "biofabbricazioni" di Physarum dell'artista berlinese Sage Jenson. A partire dal modello Physarum bidimensionale utilizzato da Jenson (originariamente sviluppato nel 2010 da Jeff Jones), Elek e un amico (il programmatore Jan Ivaneky) lo hanno esteso alle tre dimensioni e apportato ulteriori modifiche per creare un nuovo algoritmo che hanno chiamato Monte Carlo Physarum Machine.

Burchett ha fornito a Elek un set di dati di 37, 000 galassie dalla Sloan Digital Sky Survey (SDSS), e quando gli hanno applicato il nuovo algoritmo, il risultato è stata una rappresentazione piuttosto convincente della rete cosmica.

"Era una specie di momento Eureka, e mi sono convinto che il modello di muffa melmosa fosse la strada da seguire per noi, " ha detto Burchett. "È un po' una coincidenza che funzioni, ma non del tutto. Una muffa melmosa crea una rete di trasporto ottimizzata, trovare i percorsi più efficienti per collegare le fonti di cibo. Nella rete cosmica, la crescita della struttura produce reti che sono anche, in un senso, ottimale. I processi sottostanti sono diversi, ma producono strutture matematiche analoghe".

Elek ha anche osservato che "il modello che abbiamo sviluppato è a diversi livelli di astrazione lontano dalla sua ispirazione originale".

Certo, una forte somiglianza visiva dei risultati del modello con la struttura prevista della rete cosmica non prova nulla. I ricercatori hanno eseguito una serie di test per convalidare il modello mentre continuavano a perfezionarlo.

Fino ad ora, le migliori rappresentazioni della rete cosmica sono emerse dalle simulazioni al computer dell'evoluzione della struttura nell'universo, che mostra la distribuzione della materia oscura su larga scala, compresi i massicci aloni di materia oscura in cui si formano le galassie e i filamenti che le collegano. La materia oscura è invisibile, ma costituisce circa l'85 percento della materia nell'universo, e la gravità fa sì che la materia ordinaria segua la distribuzione della materia oscura.

Il team di Burchett ha utilizzato i dati della simulazione cosmologica Bolshoi-Planck, sviluppata da Joel Primack, professore emerito di fisica all'UC Santa Cruz, e altri, per testare la Monte Carlo Physarum Machine. Dopo aver estratto un catalogo di aloni di materia oscura dalla simulazione, hanno eseguito l'algoritmo per ricostruire la rete di filamenti che li collegava. Quando hanno confrontato il risultato dell'algoritmo con la simulazione originale, hanno trovato una stretta correlazione. Il modello di muffa melmosa ha essenzialmente replicato la rete di filamenti nella simulazione della materia oscura, ei ricercatori sono stati in grado di utilizzare la simulazione per mettere a punto i parametri del loro modello.

"A partire da 450, 000 aloni di materia oscura, possiamo ottenere un adattamento quasi perfetto ai campi di densità nella simulazione cosmologica, " ha detto Elek.

Burchett ha anche eseguito quello che ha definito un "controllo di sanità mentale, " confrontando le proprietà osservate delle galassie SDSS con le densità di gas nel mezzo intergalattico previste dal modello di muffa melmosa. L'attività di formazione stellare in una galassia dovrebbe essere correlata con la densità del suo ambiente galattico, e Burchett fu sollevato nel vedere le correlazioni previste.

Ora il team aveva una struttura prevista per la rete cosmica che collegava il 37, 000 galassie SDSS, che potevano testare contro osservazioni astronomiche. Per questo, hanno usato i dati dello spettrografo Cosmic Origins del telescopio spaziale Hubble. Il gas intergalattico lascia un segno distintivo di assorbimento nello spettro della luce che lo attraversa, e le linee di vista di centinaia di quasar distanti perforano il volume dello spazio occupato dalle galassie SDSS.

"Sapevamo dove dovrebbero essere i filamenti della rete cosmica grazie alla muffa melmosa, così potremmo andare agli spettri di 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 il centro dei filamenti, dove il gas dovrebbe essere più denso."

Nelle regioni più dense, però, il segnale è caduto. Anche questo corrispondeva alle aspettative, Egli ha detto, perché il riscaldamento del gas in quelle regioni ionizza l'idrogeno, spogliando gli elettroni ed eliminando la firma di assorbimento.

"Per la prima volta adesso, possiamo quantificare la densità del mezzo intergalattico dalla remota periferia dei filamenti della ragnatela cosmica al caldo, interni densi di ammassi di galassie, " ha detto Burchett. "Questi risultati non solo confermano la struttura della rete cosmica prevista dai modelli cosmologici, ci danno anche un modo per migliorare la nostra comprensione dell'evoluzione delle galassie collegandole con i giacimenti di gas da cui si formano le galassie".

Burchett ed Elek si sono conosciuti tramite il coautore Angus Forbes, professore associato di media computazionali e direttore del laboratorio di codifica creativa dell'UCSC presso la Baskin School of Engineering. Burchett e Forbes avevano iniziato a collaborare dopo essersi incontrati a una serata open mic per musicisti a Santa Cruz, concentrandosi inizialmente su un'app di visualizzazione dei dati, che hanno pubblicato l'anno scorso.

Forbes ha anche presentato Elek al lavoro di Sage Jenson, non perché pensasse che si sarebbe applicato al progetto web cosmico di Burchett, ma perché "sapeva che ero un maniaco degli schemi della natura, " ha detto Elek.

Coautore J. Xavier Prochaska, un professore di astronomia e astrofisica all'UCSC che ha svolto un lavoro pionieristico utilizzando i quasar per sondare la struttura del mezzo intergalattico, disse, "Questa tecnica creativa e il suo successo inaspettato evidenziano il valore delle collaborazioni interdisciplinari, dove prospettive e competenze completamente diverse vengono applicate ai problemi scientifici."

Il laboratorio di codifica creativa di Forbes combina approcci dalle arti multimediali, design, e informatica. "Penso che ci possano essere reali opportunità quando si integrano le arti nella ricerca scientifica, " ha affermato Forbes. "Gli approcci creativi alla modellazione e alla visualizzazione dei dati possono portare a nuove prospettive che ci aiutano a dare un senso ai sistemi complessi".