La materia en el universo no se distribuye por igual. Está dominado por súper racimos y los filamentos de materia que los unen, rodeados de enormes vacíos. Los super clústeres de galaxias están en la parte superior de la jerarquía. Dentro de eso está todo lo demás: grupos y cúmulos de galaxias, galaxias individuales y sistemas solares. Esta estructura jerárquica se llama la "Red Cósmica".
Pero, ¿cómo y por qué el Universo tomó esta forma?
Un equipo de astrónomos e informáticos de la Universidad de California Santa Cruz adoptó un enfoque interesante para resolverlo. Construyeron un modelo de computadora basado en los patrones de crecimiento de los moldes de limo. Esta no es la primera vez que los mohos de limo han ayudado a explicar otros patrones en la naturaleza.
El equipo ha publicado un estudio que describe sus resultados titulados "Revelando los hilos oscuros de la red cósmica". El autor principal es Joseph Burchett, investigador postdoctoral en astronomía y astrofísica en la UC Santa Cruz. El estudio fue publicado en The Astrophysical Journal Letters.
La teoría cosmológica moderna predice que la materia tomará la forma de estos supergrupos y filamentos, y los vastos vacíos que los separan. Pero hasta la década de 1980, los científicos pensaban que los cúmulos de galaxias eran la estructura más grande, y también pensaban que esos cúmulos se distribuían de manera uniforme en todo el Universo.
Luego se descubrieron super-racimos. Luego grupos de cuásares. Continuó, con más y más descubrimientos de estructuras y vacíos. Luego vino el Sloan Digital Sky Survey y un enorme Mapa 3D del Universo, y otros esfuerzos como la Simulación del Milenio.
Los filamentos de materia que conectan todos estos super-cúmulos y grupos de galaxias son difíciles de ver. En su mayor parte, es solo hidrógeno difuso. Pero los astrónomos han logrado vislumbrarlo.
Entra en el molde de limo. Los mohos de limo son organismos unicelulares que viven perfectamente como células individuales, pero también forman de forma autónoma estructuras multicelulares agregadas. Cuando la comida es abundante, actúan solos, pero cuando la comida es más escasa, se unen. En el estado colectivo, son mejores para detectar sustancias químicas, encontrar alimentos e incluso pueden formar tallos que producen esporas.
Los moldes de limo son criaturas notables, y los científicos han quedado perplejos e intrigados por la capacidad de la criatura para "crear redes de distribución óptimas y resolver problemas de organización espacial computacionalmente difíciles", como dice un comunicado de prensa. En 2018, los científicos japoneses informaron que un molde de limo pudo replicar el diseño del sistema ferroviario de Tokio.
Oskar Elek es investigador postdoctoral en medios computacionales en la U de C, Santa Cruz. Sugirió al autor principal Joseph Burchett que los moldes de limo pueden imitar la distribución cósmica de la materia y proporcionar una forma de visualizarla.
Burchett se mostró escéptico, inicialmente.
"Ese fue un momento de Eureka, y me convencí de que el modelo de molde de limo era el camino a seguir para nosotros".
Joseph Burchett, autor principal. U de C, Santa Cruz.
Basándose en la inspiración bidimensional del mundo del arte, Elek y otro programador crearon un algoritmo tridimensional del comportamiento del moho limo que llaman la máquina Monte Carlo Physarum. Physarum es un organismo modelo utilizado en todo tipo de investigación.
Burchett decidió dar datos de Elek del Sloan Digital Sky Survey que contenía 37,000 galaxias y su distribución en el espacio. Cuando ejecutaron el algoritmo del molde de limo, 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 una red de transporte optimizada, 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 ".
Pero a pesar de que es convincente, el molde de limo era solo una representación visual de la estructura a gran escala. El equipo no se detuvo allí. Refinaron el algoritmo e hicieron pruebas adicionales para intentar validar su modelo.
Aquí es donde Dark Matter entra en la historia. En cierto sentido, la estructura a gran escala del Universo es la distribución a gran escala de Dark Matter. Las galaxias se forman en halos masivos de materia oscura, con largas estructuras filamentosas que las conectan. La materia oscura comprende aproximadamente el 85% de la materia en el universo, y la atracción gravitacional de toda esa materia oscura da forma a la distribución de la materia "regular".
El equipo de investigadores consiguió un catálogo de halos de materia oscura de otra simulación científica. Luego corrieron su algoritmo basado en el molde de limo con esos datos, para ver si podía replicar la red de filamentos que conectaban todos esos halos. El resultado fue una correlación muy estrecha con la simulación original.
"Comenzando con 450,000 halos de materia oscura, podemos lograr un ajuste casi perfecto a los campos de densidad en la simulación cosmológica", dijo Elek en el comunicado de prensa.
El algoritmo del molde de limo replicaba la red filamentosa, y los investigadores usaron esos resultados para afinar aún más su algoritmo.
En ese momento, el equipo poseía una predicción de la estructura de la estructura a gran escala y la red cósmica que conectaba todo. El siguiente paso fue compararlo con un conjunto diferente de datos de observación. Para esto, fueron al venerable telescopio espacial Hubble. El Espectrógrafo de Orígenes Cósmicos (COS) de ese telescopio estudia la estructura a gran escala del Universo a través de la espectroscopía de gas intergaláctico. Ese gas no emite luz propia, por lo que la espectroscopía es clave. En lugar de centrarse en el gas en sí, el COS estudia la luz de los quásares distantes a medida que pasa a través del gas, y cómo el gas intergaláctico afecta esa luz.
"Sabíamos dónde deberían estar los filamentos de la red cósmica gracias al molde de limo, por lo que podríamos ir a los espectros de Hubble archivados para los cuásares que exploran 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 el medio de los filamentos donde el gas debería ser más denso".
Eso requiere otro Eureka.
"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 de la red cósmica predicha por los modelos cosmológicos, sino que 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".
Este estudio muestra lo que se puede lograr cuando diferentes investigadores salen de sus silos y cooperan a través de diferentes disciplinas. La cosmología, la astronomía, la programación de computadoras, la biología e incluso el arte contribuyeron a este resultado más interesante.
"Creo que puede haber oportunidades reales cuando integras las artes en la investigación científica", dijo el coautor Angus Forbes del laboratorio de codificación creativa de UCSC. "Los enfoques creativos para modelar y visualizar datos pueden conducir a nuevas perspectivas que nos ayudan a dar sentido a los sistemas complejos".
Más:
- Comunicado de prensa: los astrónomos usan el modelo de molde de limo para revelar hilos oscuros de la red cósmica
- Documento de investigación: Revelando los hilos oscuros de la web cósmica
- Space Magazine: nuevo mapa tridimensional muestra estructuras a gran escala en el universo hace 9 mil millones de años
