Una nuova mappa della materia oscura nell'universo locale rivela diverse strutture filamentose precedentemente sconosciute che collegano le galassie. La mappa, sviluppato utilizzando l'apprendimento automatico da un team internazionale tra cui un astrofisico della Penn State, potrebbe consentire studi sulla natura della materia oscura, nonché sulla storia e il futuro del nostro universo locale.

La materia oscura è una sostanza sfuggente che costituisce l'80% dell'universo. Fornisce anche lo scheletro per ciò che i cosmologi chiamano la rete cosmica, la struttura su larga scala dell'universo che, a causa della sua influenza gravitazionale, detta il moto delle galassie e di altro materiale cosmico. Però, la distribuzione della materia oscura locale è attualmente sconosciuta perché non può essere misurata direttamente. I ricercatori devono invece dedurre la sua distribuzione in base alla sua influenza gravitazionale su altri oggetti nell'universo, come le galassie.

"Ironicamente, è più facile studiare la distribuzione della materia oscura molto più lontano perché riflette il passato molto lontano, che è molto meno complesso, " ha detto Donghui Jeong, professore associato di astronomia e astrofisica alla Penn State e corrispondente autore dello studio. "Col tempo, man mano che la struttura su larga scala dell'universo è cresciuta, la complessità dell'universo è aumentata, quindi è intrinsecamente più difficile effettuare misurazioni sulla materia oscura a livello locale".

I precedenti tentativi di mappare la rete cosmica sono iniziati con un modello dell'universo primordiale e poi hanno simulato l'evoluzione del modello nel corso di miliardi di anni. Però, questo metodo è computazionalmente intensivo e finora non è stato in grado di produrre risultati sufficientemente dettagliati per vedere l'universo locale. Nel nuovo studio, i ricercatori hanno adottato un approccio completamente diverso, utilizzando l'apprendimento automatico per costruire un modello che utilizza le informazioni sulla distribuzione e il movimento delle galassie per prevedere la distribuzione della materia oscura.

I ricercatori hanno costruito e addestrato il loro modello utilizzando un ampio set di simulazioni di galassie, chiamato Illustris-TNG, che include le galassie, gas, altra materia visibile, così come la materia oscura. Il team ha selezionato specificamente galassie simulate paragonabili a quelle della Via Lattea e alla fine ha identificato quali proprietà delle galassie sono necessarie per prevedere la distribuzione della materia oscura.

"Quando vengono fornite determinate informazioni, il modello può essenzialmente colmare le lacune in base a ciò che ha osservato in precedenza, " ha detto Jeong. "La mappa dei nostri modelli non si adatta perfettamente ai dati della simulazione, ma possiamo ancora ricostruire strutture molto dettagliate. Abbiamo scoperto che includere il movimento delle galassie, le loro peculiari velocità radiali, oltre alla loro distribuzione, ha migliorato drasticamente la qualità della mappa e ci ha permesso di vedere questi dettagli".

Il team di ricerca ha quindi applicato il proprio modello ai dati reali dell'universo locale dal catalogo di galassie Cosmicflow-3. Il catalogo contiene dati completi sulla distribuzione e il movimento di oltre 17mila galassie nelle vicinanze della Via Lattea, entro 200 megaparsec. La mappa risultante della rete cosmica locale è pubblicata in un articolo apparso online il 26 maggio nel Giornale Astrofisico .

La mappa riprodusse successivamente strutture prominenti note nell'universo locale, compreso il "foglio locale", una regione di spazio contenente la Via Lattea, galassie vicine nel 'gruppo locale, ' e le galassie nell'ammasso della Vergine - e il "vuoto locale" - una regione di spazio relativamente vuota accanto al gruppo locale. Inoltre, ha identificato diverse nuove strutture che richiedono ulteriori indagini, comprese le strutture filamentose più piccole che collegano le galassie.

"Avere una mappa locale della rete cosmica apre un nuovo capitolo dello studio cosmologico, " ha detto Jeong. "Possiamo studiare come la distribuzione della materia oscura si riferisce ad altri dati di emissione, che ci aiuterà a capire la natura della materia oscura. E possiamo studiare direttamente queste strutture filamentose, questi ponti nascosti tra le galassie."

Per esempio, è stato suggerito che la Via Lattea e le galassie di Andromeda si stiano lentamente avvicinando l'una all'altra, ma non è chiaro se possano scontrarsi tra molti miliardi di anni. Lo studio dei filamenti di materia oscura che collegano le due galassie potrebbe fornire importanti spunti sul loro futuro.

"Poiché la materia oscura domina le dinamiche dell'universo, determina sostanzialmente il nostro destino, " ha detto Jeong. "Quindi possiamo chiedere a un computer di far evolvere la mappa per miliardi di anni per vedere cosa accadrà nell'universo locale. E possiamo far evolvere il modello indietro nel tempo per comprendere la storia del nostro vicinato cosmico".

I ricercatori ritengono di poter migliorare la precisione della loro mappa aggiungendo più galassie. Indagini astronomiche pianificate, ad esempio utilizzando il James Web Space Telescope, potrebbe consentire loro di aggiungere galassie deboli o piccole che devono ancora essere osservate e galassie più lontane.