Um novo mapa de matéria escura no universo local revela várias estruturas filamentares até então desconhecidas conectando galáxias. O mapa, desenvolvido usando aprendizado de máquina por uma equipe internacional, incluindo um astrofísico da Penn State, poderia permitir estudos sobre a natureza da matéria escura, bem como sobre a história e o futuro de nosso universo local.

A matéria escura é uma substância indescritível que constitui 80% do universo. Ele também fornece o esqueleto para o que os cosmologistas chamam de teia cósmica, a estrutura em grande escala do universo que, devido à sua influência gravitacional, dita o movimento das galáxias e outros materiais cósmicos. Contudo, a distribuição da matéria escura local é atualmente desconhecida porque não pode ser medida diretamente. Os pesquisadores devem, em vez disso, inferir sua distribuição com base em sua influência gravitacional sobre outros objetos no universo, como galáxias.

"Ironicamente, é mais fácil estudar a distribuição da matéria escura muito mais longe porque reflete o passado muito distante, que é muito menos complexo, "disse Donghui Jeong, professor associado de astronomia e astrofísica na Penn State e um autor correspondente do estudo. "Hora extra, à medida que a estrutura em grande escala do universo cresceu, a complexidade do universo aumentou, portanto, é inerentemente mais difícil fazer medições sobre a matéria escura localmente. "

As tentativas anteriores de mapear a teia cósmica começaram com um modelo do universo primordial e então simularam a evolução do modelo ao longo de bilhões de anos. Contudo, este método é computacionalmente intensivo e até agora não foi capaz de produzir resultados detalhados o suficiente para ver o universo local. No novo estudo, os pesquisadores adotaram uma abordagem completamente diferente, usando aprendizado de máquina para construir um modelo que usa informações sobre a distribuição e o movimento das galáxias para prever a distribuição da matéria escura.

Os pesquisadores construíram e treinaram seu modelo usando um grande conjunto de simulações de galáxias, chamado Illustris-TNG, que inclui galáxias, gases, outra matéria visível, bem como matéria escura. A equipe selecionou especificamente galáxias simuladas comparáveis ​​às da Via Láctea e, finalmente, identificou quais propriedades das galáxias são necessárias para prever a distribuição da matéria escura.

"Ao receber certas informações, o modelo pode essencialmente preencher as lacunas com base no que olhou antes, "disse Jeong." O mapa de nossos modelos não se ajusta perfeitamente aos dados de simulação, mas ainda podemos reconstruir estruturas muito detalhadas. Descobrimos que incluir o movimento das galáxias - suas velocidades radiais peculiares - além de sua distribuição aumentava drasticamente a qualidade do mapa e nos permitia ver esses detalhes. "

A equipe de pesquisa então aplicou seu modelo a dados reais do universo local do catálogo de galáxias Cosmicflow-3. O catálogo contém dados abrangentes sobre a distribuição e o movimento de mais de 17 mil galáxias nas proximidades da Via Láctea - dentro de 200 megaparsecs. O mapa resultante da teia cósmica local foi publicado em um artigo publicado online em 26 de maio no Astrophysical Journal .

O mapa reproduziu sucessivamente estruturas conhecidas proeminentes no universo local, incluindo a 'folha local', uma região do espaço que contém a Via Láctea, galáxias próximas no 'grupo local, 'e galáxias no aglomerado de Virgem - e o' vazio local '- uma região relativamente vazia do espaço próxima ao grupo local. Adicionalmente, identificou várias novas estruturas que requerem uma investigação mais aprofundada, incluindo estruturas filamentares menores que conectam galáxias.

"Ter um mapa local da teia cósmica abre um novo capítulo do estudo cosmológico, "disse Jeong." Podemos estudar como a distribuição da matéria escura se relaciona com outros dados de emissão, o que nos ajudará a entender a natureza da matéria escura. E podemos estudar essas estruturas filamentares diretamente, essas pontes ocultas entre galáxias. "

Por exemplo, foi sugerido que as galáxias da Via Láctea e de Andrômeda podem estar se movendo lentamente uma em direção à outra, mas se eles podem colidir em muitos bilhões de anos ainda não está claro. O estudo dos filamentos de matéria escura conectando as duas galáxias pode fornecer informações importantes sobre seu futuro.

"Porque a matéria escura domina a dinâmica do universo, basicamente determina nosso destino, "disse Jeong." Portanto, podemos pedir a um computador para evoluir o mapa por bilhões de anos para ver o que acontecerá no universo local. E podemos evoluir o modelo no tempo para entender a história de nossa vizinhança cósmica. "

Os pesquisadores acreditam que podem melhorar a precisão de seu mapa adicionando mais galáxias. Levantamentos astronômicos planejados, por exemplo, usando o James Web Space Telescope, poderia permitir que eles adicionassem galáxias fracas ou pequenas que ainda não foram observadas e galáxias que estão mais distantes.