p Uma abordagem computacional inspirada nos padrões de crescimento de um bolor limoso amarelo brilhante permitiu a uma equipe de astrônomos e cientistas da computação da UC Santa Cruz rastrear os filamentos da teia cósmica que conecta galáxias em todo o universo. p Seus resultados, publicado em 10 de março em Astrophysical Journal Letters , fornecem a primeira associação conclusiva entre o gás difuso no espaço entre as galáxias e a estrutura em grande escala da teia cósmica prevista pela teoria cosmológica.

p De acordo com a teoria prevalecente, à medida que o universo evoluiu após o big bang, a matéria foi distribuída em uma rede semelhante a uma teia de filamentos interconectados separados por enormes vazios. Galáxias luminosas cheias de estrelas e planetas formados nas interseções e regiões mais densas dos filamentos onde a matéria está mais concentrada. Os filamentos de gás hidrogênio difuso que se estendem entre as galáxias são amplamente invisíveis, embora os astrônomos tenham conseguido vislumbrar partes deles.

p Nada disso parece ter nada a ver com um fungo viscoso chamado Physarum polycephalum, normalmente encontrado crescendo em toras em decomposição e serapilheira no chão da floresta e, às vezes, formando massas amarelas esponjosas nos gramados. Mas Physarum tem uma longa história de cientistas surpreendentes com sua capacidade de criar redes de distribuição ideais e resolver problemas de organização espacial computacionalmente difíceis. Em um experimento famoso, um bolor limoso replicou o layout do sistema ferroviário do Japão conectando fontes de alimentos organizadas para representar as cidades ao redor de Tóquio.

p Joe Burchett, um pesquisador de pós-doutorado em astronomia e astrofísica na UC Santa Cruz, estava procurando uma maneira de visualizar a teia cósmica em grande escala, mas ele estava cético quando Oskar Elek, um pesquisador de pós-doutorado em mídia computacional, sugerido o uso de um algoritmo baseado em Physarum. Afinal, Forças completamente diferentes moldam a teia cósmica e o crescimento de um bolor limoso.

p Mas Elek, que sempre foi fascinado por padrões da natureza, ficara impressionado com as "biofabricações" Physarum do artista Sage Jenson, de Berlim. Começando com o modelo 2-dimensional Physarum usado por Jenson (originalmente desenvolvido em 2010 por Jeff Jones), Elek e um amigo (o programador Jan Ivanecky) o estenderam para três dimensões e fizeram modificações adicionais para criar um novo algoritmo que chamaram de Monte Carlo Physarum Machine.

p Burchett deu à Elek um conjunto de dados de 37, 000 galáxias do Sloan Digital Sky Survey (SDSS), e quando aplicaram o novo algoritmo a ele, o resultado foi uma representação bastante convincente da teia cósmica.

p "Esse foi um momento tipo Eureka, e me convenci de que o modelo do bolor limoso era o caminho a seguir para nós, "Burchett disse." É uma coincidência que funcione, mas não inteiramente. Um bolor limoso cria uma rede de transporte otimizada, encontrar os caminhos mais eficientes para conectar as fontes de alimentos. Na teia cósmica, o crescimento da estrutura produz redes que também são, num sentido, ótimo. Os processos subjacentes são diferentes, mas eles produzem estruturas matemáticas que são análogas. "

p Elek também observou que "o modelo que desenvolvemos está a várias camadas de abstração de sua inspiração original".

p Claro, uma forte semelhança visual dos resultados do modelo com a estrutura esperada da teia cósmica não prova nada. Os pesquisadores realizaram uma variedade de testes para validar o modelo à medida que continuavam a refiná-lo.

p Até agora, as melhores representações da teia cósmica surgiram de simulações de computador da evolução da estrutura do universo, mostrando a distribuição da matéria escura em grandes escalas, incluindo os halos massivos de matéria escura em que as galáxias se formam e os filamentos que as conectam. A matéria escura é invisível, mas constitui cerca de 85 por cento da matéria do universo, e a gravidade faz com que a matéria comum siga a distribuição da matéria escura.

p A equipe de Burchett usou dados da simulação cosmológica Bolshoi-Planck, desenvolvida por Joel Primack, professor emérito de física da UC Santa Cruz, e outros - para testar a Monte Carlo Physarum Machine. Depois de extrair um catálogo de halos de matéria escura da simulação, eles executaram o algoritmo para reconstruir a teia de filamentos que os conecta. Quando eles compararam o resultado do algoritmo com a simulação original, eles encontraram uma correlação estreita. O modelo de bolor limoso essencialmente replicou a teia de filamentos na simulação de matéria escura, e os pesquisadores puderam usar a simulação para ajustar os parâmetros de seu modelo.

p "Começando com 450, 000 halos de matéria escura, podemos obter um ajuste quase perfeito para os campos de densidade na simulação cosmológica, "Elek disse.

p Burchett também realizou o que chamou de "verificação de sanidade, "comparando as propriedades observadas das galáxias SDSS com as densidades de gás no meio intergaláctico previsto pelo modelo de bolor limoso. A atividade de formação de estrelas em uma galáxia deve se correlacionar com a densidade de seu ambiente galáctico, e Burchett ficou aliviado ao ver as correlações esperadas.

p Agora, a equipe tinha uma estrutura prevista para a teia cósmica conectando os 37, 000 galáxias SDSS, que eles poderiam testar contra observações astronômicas. Por esta, eles usaram dados do Espectrógrafo de Origens Cósmicas do Telescópio Espacial Hubble. O gás intergaláctico deixa uma assinatura de absorção distinta no espectro de luz que passa por ele, e as linhas de visão de centenas de quasares distantes perfuram o volume do espaço ocupado pelas galáxias do SDSS.

p "Sabíamos onde os filamentos da teia cósmica deveriam estar graças ao bolor limoso, então poderíamos ir para os espectros de Hubble arquivados para os quasares que sondam esse espaço e procurar as assinaturas do gás, "Burchett explicou." Sempre que vimos um filamento em nosso modelo, o espectro de Hubble mostrou um sinal de gás, e o sinal ficou mais forte no meio dos filamentos, onde o gás deveria ser mais denso. "

p Nas regiões mais densas, Contudo, o sinal caiu. Isso também correspondeu às expectativas, ele disse, porque o aquecimento do gás nessas regiões ioniza o hidrogênio, removendo elétrons e eliminando a assinatura de absorção.

p "Pela primeira vez agora, podemos quantificar a densidade do meio intergaláctico desde os arredores remotos dos filamentos da teia cósmica até o quente, densos interiores de aglomerados de galáxias, "Burchett disse." Esses resultados não apenas confirmam a estrutura da teia cósmica prevista por modelos cosmológicos, eles também nos fornecem uma maneira de melhorar nossa compreensão da evolução da galáxia, conectando-a com os reservatórios de gás a partir dos quais as galáxias se formam. "

p Burchett e Elek se conheceram por meio do co-autor Angus Forbes, professor associado de mídia computacional e diretor do laboratório de codificação criativa da UCSC na Baskin School of Engineering. Burchett e Forbes começaram a colaborar após se conhecerem em uma noite de microfone aberto para músicos em Santa Cruz, focando inicialmente em um aplicativo de visualização de dados, que publicaram no ano passado.

p A Forbes também apresentou a Elek ao trabalho do Sage Jenson, não porque ele pensou que se aplicaria ao projeto da web cósmica de Burchett, mas porque "ele sabia que eu era uma mania de padrões naturais, "Elek disse.

p Coautor J. Xavier Prochaska, um professor de astronomia e astrofísica na UCSC que fez um trabalho pioneiro usando quasares para sondar a estrutura do meio intergaláctico, disse, "Esta técnica criativa e seu sucesso inesperado destacam o valor das colaborações interdisciplinares, onde perspectivas e conhecimentos completamente diferentes são trazidos para lidar com problemas científicos. "

p O laboratório de codificação criativa da Forbes combina abordagens de artes de mídia, Projeto, e ciência da computação. "Acho que pode haver oportunidades reais quando você integra as artes à pesquisa científica, "Forbes disse." Abordagens criativas para modelagem e visualização de dados podem levar a novas perspectivas que nos ajudam a dar sentido a sistemas complexos. "