Un enfoque computacional inspirado en los patrones de crecimiento de un moho de limo amarillo brillante ha permitido a un equipo de astrónomos e informáticos de la UC Santa Cruz rastrear los filamentos de la red cósmica que conecta las galaxias en todo el universo.

Sus resultados, publicado el 10 de marzo en Cartas de revistas astrofísicas , proporcionan la primera asociación concluyente entre el gas difuso en el espacio entre las galaxias y la estructura a gran escala de la red cósmica predicha por la teoría cosmológica.

Según la teoría predominante, a medida que el universo evolucionó después del Big Bang, la materia se distribuyó en una red similar a una red de filamentos interconectados separados por enormes vacíos. Galaxias luminosas llenas de estrellas y planetas se formaron en las intersecciones y regiones más densas de los filamentos donde la materia está más concentrada. Los filamentos de gas hidrógeno difuso que se extienden entre las galaxias son en gran parte invisibles, aunque los astrónomos han logrado vislumbrar partes de ellos.

Ninguno de los cuales parece tener nada que ver con un moho de limo humilde llamado Physarum polycephalum, generalmente se encuentra creciendo en troncos en descomposición y hojarasca en el suelo del bosque y, a veces, formando masas amarillas esponjosas en el césped. Pero Physarum tiene una larga historia de sorprender a los científicos con su capacidad para crear redes de distribución óptimas y resolver problemas de organización espacial computacionalmente difíciles. En un famoso experimento, un molde de limo reprodujo el diseño del sistema ferroviario de Japón conectando fuentes de alimentos dispuestas para representar las ciudades alrededor de Tokio.

Joe Burchett, investigador postdoctoral en astronomía y astrofísica de la UC Santa Cruz, había estado buscando una forma de visualizar la red cósmica a gran escala, pero se mostró escéptico cuando Oskar Elek, investigador postdoctoral en medios computacionales, sugirió usar un algoritmo basado en Physarum. Después de todo, Fuerzas completamente diferentes dan forma a la red cósmica y al crecimiento de un moho de limo.

Pero Elek, que siempre ha estado fascinado por los patrones de la naturaleza, había quedado impresionado por las "biofabricaciones" Physarum del artista berlinés Sage Jenson. Comenzando con el modelo Physarum bidimensional que utilizó Jenson (desarrollado originalmente en 2010 por Jeff Jones), Elek y un amigo (el programador Jan Ivanecky) lo ampliaron a tres dimensiones e hicieron modificaciones adicionales para crear un nuevo algoritmo que llamaron Monte Carlo Physarum Machine.

Burchett le dio a Elek un conjunto de datos de 37, 000 galaxias del Sloan Digital Sky Survey (SDSS), y cuando le aplicaron el nuevo algoritmo, el resultado fue una representación bastante convincente de la red cósmica.

"Fue una especie de momento Eureka, y me convencí de que el modelo de moho de lodo era el camino a seguir para nosotros, "Dijo Burchett." Es algo casual que funcione, pero no del todo. Un moho de lodo crea una red de transporte optimizada, encontrar 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 un sentido, óptimo. Los procesos subyacentes son diferentes, pero producen estructuras matemáticas que son análogas ".

Elek también señaló que "el modelo que desarrollamos está a varias capas de abstracción de su inspiración original".

Por supuesto, una gran semejanza visual de los resultados del modelo con la estructura esperada de la red cósmica no prueba nada. Los investigadores realizaron una variedad de pruebas para validar el modelo mientras continuaban refinándolo.

Hasta ahora, las mejores representaciones de la red cósmica han surgido de simulaciones por computadora de la evolución de la estructura en el universo, mostrando la distribución de la materia oscura a gran escala, incluidos los halos masivos de materia oscura en los que se forman las galaxias y los filamentos que las conectan. La materia oscura es invisible pero constituye alrededor del 85 por ciento de la materia del universo, y la gravedad hace que la materia ordinaria siga la distribución de la materia oscura.

El equipo de Burchett utilizó datos de la simulación cosmológica Bolshoi-Planck, desarrollada por Joel Primack, profesor emérito de física de la UC Santa Cruz, y otros, para probar la Monte Carlo Physarum Machine. Después de extraer un catálogo de halos de materia oscura de la simulación, ejecutaron el algoritmo para reconstruir la red de filamentos que los conectaban. Cuando compararon el resultado del algoritmo con la simulación original, encontraron una estrecha correlación. El modelo de moho de lodo esencialmente replicó la red de filamentos en la simulación de materia oscura, y los investigadores pudieron utilizar la simulación para ajustar los parámetros de su modelo.

"A partir de 450, 000 halos de materia oscura, podemos conseguir un ajuste casi perfecto a los campos de densidad en la simulación cosmológica, "Dijo Elek.

Burchett también realizó lo que llamó un "control de cordura, "comparando las propiedades observadas de las galaxias SDSS con las densidades de gas en el medio intergaláctico predichas por el modelo de moho de lodo. La actividad de formación de estrellas en una galaxia debería correlacionarse con la densidad de su entorno galáctico, y Burchett se sintió aliviado al ver las correlaciones esperadas.

Ahora el equipo tenía una estructura prevista para la red cósmica que conectaba los 37, 000 galaxias SDSS, que podrían probar contra observaciones astronómicas. Para esto, utilizaron datos del Espectrógrafo de Orígenes Cósmicos del Telescopio Espacial Hubble. El gas intergaláctico deja una firma de absorción distintiva en el espectro de luz que lo atraviesa, y las líneas de visión de cientos de cuásares distantes perforan el volumen de espacio ocupado por las galaxias SDSS.

"Sabíamos dónde deberían estar los filamentos de la red cósmica gracias al moho de lodo, para que pudiéramos ir a los espectros archivados del Hubble para los quásares que sondean ese espacio y buscar las firmas del gas, ", Explicó Burchett." Dondequiera que vimos un filamento en nuestro modelo, los espectros de 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 ".

En las regiones más densas, sin embargo, la señal se apagó. Esto también coincidió con las expectativas, él dijo, debido a que el calentamiento del gas en esas regiones ioniza el hidrógeno, arrancando electrones y eliminando la firma de absorción.

"Por primera vez ahora, podemos cuantificar la densidad del medio intergaláctico desde las afueras remotas de los filamentos de la red cósmica hasta el calor, densos interiores de cúmulos de galaxias, "Dijo Burchett." Estos resultados no solo confirman la estructura de la red cósmica predicha por los modelos cosmológicos, también nos dan 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 ".

Burchett y Elek se conocieron a través del coautor Angus Forbes, profesor asociado de medios computacionales y director del laboratorio de codificación creativa de UCSC en la Escuela de Ingeniería de Baskin. Burchett y Forbes habían comenzado a colaborar después de conocerse en una noche de micrófono abierto para músicos en Santa Cruz. centrándose inicialmente en una aplicación de visualización de datos, que publicaron el año pasado.

Forbes también presentó a Elek el trabajo de Sage Jenson, no porque pensara que se aplicaría al proyecto web cósmico de Burchett, sino porque "sabía que yo era un fanático de los patrones de la naturaleza, "Dijo Elek.

Coautor J. Xavier Prochaska, un profesor de astronomía y astrofísica en UCSC que ha realizado un trabajo pionero utilizando cuásares para sondear la estructura del medio intergaláctico, dijo, "Esta técnica creativa y su éxito inesperado resaltan el valor de las colaboraciones interdisciplinarias, donde se aportan perspectivas y conocimientos completamente diferentes a los problemas científicos ".

El laboratorio de codificación creativa de Forbes combina enfoques de las artes de los medios, diseño, y ciencias de la computación. "Creo que puede haber oportunidades reales cuando se integran las artes en la investigación científica, "Los enfoques creativos para modelar y visualizar datos pueden conducir a nuevas perspectivas que nos ayuden a dar sentido a los sistemas complejos", dijo Forbes.