Los científicos han decodificado débiles distorsiones en los patrones de la luz más temprana del universo para mapear enormes estructuras tubulares invisibles a nuestros ojos, conocidas como filamentos, que sirven como superautopistas para llevar materia a núcleos densos como los cúmulos de galaxias.

El equipo científico internacional, que incluyó a investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y UC Berkeley, analizaron datos de estudios del cielo anteriores utilizando tecnología sofisticada de reconocimiento de imágenes para detectar los efectos basados ​​en la gravedad que identifican las formas de estos filamentos. También utilizaron modelos y teorías sobre los filamentos para ayudar a guiar e interpretar su análisis.

Publicado el 9 de abril en la revista Astronomía de la naturaleza , la exploración detallada de los filamentos ayudará a los investigadores a comprender mejor la formación y evolución de la red cósmica, la estructura a gran escala de la materia en el universo, incluida la misteriosa, materia invisible conocida como materia oscura que constituye aproximadamente el 85 por ciento de la masa total del universo.

La materia oscura constituye los filamentos, que los investigadores aprendieron que normalmente se estiran y se doblan a lo largo de cientos de millones de años luz, y los llamados halos que albergan cúmulos de galaxias son alimentados por la red universal de filamentos. Más estudios de estos filamentos podrían proporcionar nuevos conocimientos sobre la energía oscura, otro misterio del universo que impulsa su expansión acelerada.

Las propiedades de los filamentos también podrían poner a prueba las teorías de la gravedad, incluyendo la teoría de la relatividad general de Einstein, y brindar pistas importantes para ayudar a resolver un aparente desajuste en la cantidad de materia visible que se predice que existe en el universo:el "problema del barión faltante".

"Por lo general, los investigadores no estudian estos filamentos directamente; miran las galaxias en observaciones, "dijo Shirley Ho, científico senior en Berkeley Lab y profesor asociado de física Cooper-Siegel en la Universidad Carnegie Mellon que dirigió el estudio. "Usamos los mismos métodos para encontrar los filamentos que Yahoo y Google usan para el reconocimiento de imágenes, como reconocer los nombres de los letreros de las calles o encontrar gatos en fotografías ".

El estudio utilizó datos de la encuesta espectroscópica de oscilación bariónica, o BOSS, un estudio del cielo basado en la Tierra que capturó la luz de aproximadamente 1,5 millones de galaxias para estudiar la expansión del universo y la distribución pautada de la materia en el universo puesta en movimiento por la propagación de ondas sonoras, o "oscilaciones acústicas bariónicas, "ondulando en el universo temprano.

El equipo de encuestas de BOSS, que contó con científicos de Berkeley Lab en roles clave, produjo un catálogo de posibles estructuras de filamentos que conectaban grupos de materia que los investigadores extrajeron en el último estudio.

Los investigadores también confiaron en mediciones espaciales del fondo cósmico de microondas, o CMB, que es la señal remanente casi uniforme de la primera luz del universo. Si bien esta firma de luz es muy similar en todo el universo, hay fluctuaciones regulares que se han cartografiado en encuestas anteriores.

En el último estudio, los investigadores se centraron en las fluctuaciones modeladas en el CMB. Utilizaron sofisticados algoritmos informáticos para buscar la huella de filamentos a partir de distorsiones basadas en la gravedad en el CMB. conocidos como efectos de lentes débiles, que son causados ​​por la luz CMB que atraviesa la materia.

Dado que las galaxias viven en las regiones más densas del universo, la señal de lente débil de la desviación de la luz CMB es más fuerte en esas partes. La materia oscura reside en los halos alrededor de esas galaxias, y también se sabía que se extendía desde esas áreas más densas en filamentos.

"Sabíamos que estos filamentos también deberían causar una desviación de CMB y también producirían una señal de lente gravitacional débil medible, "dijo Siyu He, autor principal del estudio que es un Ph.D. investigadora de la Carnegie Mellon University; ahora está en Berkeley Lab y también está afiliada a UC Berkeley. El equipo de investigación utilizó técnicas estadísticas para identificar y comparar las "crestas, "o puntos de mayor densidad que las teorías les informaron apuntarían a la presencia de filamentos".

"No solo estábamos tratando de 'conectar los puntos', estábamos tratando de encontrar estas crestas en la densidad, los puntos máximos locales en densidad, ", dijo. Verificaron sus hallazgos con otros datos de filamentos y cúmulos de galaxias, y con "burlas, "o filamentos simulados basados ​​en observaciones y teorías. El equipo utilizó grandes simulaciones cosmológicas generadas en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética de Berkeley Lab (NERSC), por ejemplo, para comprobar si hay errores en sus medidas.

Los filamentos y sus conexiones pueden cambiar de forma y conexiones a lo largo de escalas de tiempo de cientos de millones de años. Las fuerzas en competencia de la atracción de la gravedad y la expansión del universo pueden acortar o alargar los filamentos.

"Los filamentos son esta parte integral de la red cósmica, aunque no está claro cuál es la relación entre la materia oscura subyacente y los filamentos, "y esa fue una de las principales motivaciones del estudio, dijo Simone Ferraro, uno de los autores del estudio que es becario postdoctoral Miller en el Centro de Física Cosmológica de UC Berkeley.

Nuevos datos de experimentos existentes, y los estudios del cielo de próxima generación, como el Instrumento espectroscópico de energía oscura (DESI) dirigido por el laboratorio de Berkeley, ahora en construcción en el Observatorio Nacional de Kitt Peak en Arizona, deberían proporcionar datos aún más detallados sobre estos filamentos. añadió.

Los investigadores señalaron que este importante paso en la detección de las formas y ubicaciones de los filamentos también debería ser útil para estudios enfocados que buscan identificar qué tipos de gases habitan en los filamentos. las temperaturas de estos gases, y los mecanismos por los que las partículas entran y se mueven en los filamentos. El estudio también les permitió determinar la longitud de los filamentos.

Siyu He dijo que resolver la estructura del filamento también puede proporcionar pistas sobre las propiedades y el contenido de los huecos en el espacio alrededor de los filamentos. y "ayuda con otras teorías que son modificaciones de la relatividad general, " ella dijo.

Ho agregó, "Quizás también podamos usar estos filamentos para restringir la energía oscura; su largo y ancho pueden decirnos algo sobre los parámetros de la energía oscura".