Kortlægning af det lokale kosmiske web:Kort over mørkt stof afslører skjulte broer mellem galakser

Et nyt kort over mørkt stof i lokaluniverset afslører flere hidtil uopdagede filamentstrukturer, der forbinder galakser. Kortet, udviklet ved hjælp af maskinlæring af et internationalt team, herunder en astrofysiker fra Penn State, kunne muliggøre undersøgelser af mørkt stofs natur samt om vores lokaluniverss historie og fremtid.

Mørkt stof er et undvigende stof, der udgør 80% af universet. Det giver også skelettet til det kosmologer kalder det kosmiske web, universets storskalastruktur, der, på grund af dens gravitationspåvirkning, dikterer bevægelsen af ​​galakser og andet kosmisk materiale. Imidlertid, fordelingen af ​​lokalt mørkt stof er i øjeblikket ukendt, fordi det ikke kan måles direkte. Forskere må i stedet udlede dens fordeling baseret på dens gravitationspåvirkning på andre objekter i universet, som galakser.

"Ironisk, det er lettere at studere fordelingen af ​​mørkt stof meget længere væk, fordi det afspejler den meget fjerne fortid, hvilket er meget mindre komplekst, " sagde Donghui Jeong, lektor i astronomi og astrofysik ved Penn State og en tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Over tid, efterhånden som universets struktur i stor skala er vokset, universets kompleksitet er steget, så det er i sagens natur sværere at foretage målinger om mørkt stof lokalt."

Tidligere forsøg på at kortlægge det kosmiske net startede med en model af det tidlige univers og simulerede derefter modellens udvikling over milliarder af år. Imidlertid, denne metode er beregningsintensiv og har hidtil ikke været i stand til at producere resultater, der er detaljerede nok til at se lokaluniverset. I den nye undersøgelse, forskerne tog en helt anden tilgang, ved hjælp af maskinlæring til at bygge en model, der bruger information om galaksers fordeling og bevægelse til at forudsige fordelingen af ​​mørkt stof.

Forskerne byggede og trænede deres model ved hjælp af et stort sæt galaksesimuleringer, kaldet Illustris-TNG, som omfatter galakser, gasser, andet synligt stof, samt mørkt stof. Holdet udvalgte specifikt simulerede galakser, der kan sammenlignes med dem i Mælkevejen og identificerede i sidste ende, hvilke egenskaber af galakser der er nødvendige for at forudsige distributionen af ​​mørkt stof.

"Når der gives visse oplysninger, modellen kan i det væsentlige udfylde hullerne baseret på, hvad den har set på før, " sagde Jeong. "Kortet fra vores modeller passer ikke perfekt til simuleringsdataene, men vi kan stadig rekonstruere meget detaljerede strukturer. Vi fandt ud af, at det at inkludere bevægelsen af ​​galakser - deres radiale ejendommelige hastigheder - ud over deres fordeling forbedrede kortets kvalitet drastisk og gjorde det muligt for os at se disse detaljer."

Forskerholdet anvendte derefter deres model på rigtige data fra lokaluniverset fra Cosmicflow-3 galaksekataloget. Kataloget indeholder omfattende data om fordelingen og bevægelsen af ​​mere end 17 tusinde galakser i nærheden af ​​Mælkevejen - inden for 200 megaparsec. Det resulterende kort over det lokale kosmiske web er offentliggjort i et papir, der vises online 26. maj i Astrofysisk tidsskrift .

Kortet gengav successivt kendte fremtrædende strukturer i lokaluniverset, inklusive det 'lokale ark' - et rumområde, der indeholder Mælkevejen, nærliggende galakser i den 'lokale gruppe, ' og galakser i Jomfruhoben - og det 'lokale tomrum' - et relativt tomt område i rummet ved siden af ​​den lokale gruppe. Derudover den identificerede flere nye strukturer, der kræver yderligere undersøgelse, herunder mindre filamentære strukturer, der forbinder galakser.

"At have et lokalt kort over det kosmiske web åbner et nyt kapitel af kosmologisk undersøgelse, " sagde Jeong. "Vi kan studere, hvordan fordelingen af ​​mørkt stof forholder sig til andre emissionsdata, som vil hjælpe os med at forstå naturen af ​​mørkt stof. Og vi kan studere disse filamentære strukturer direkte, disse skjulte broer mellem galakser."

For eksempel, det er blevet foreslået, at Mælkevejen og Andromeda-galakserne langsomt bevæger sig mod hinanden, men om de kan støde sammen om mange milliarder år er stadig uklart. At studere de mørke stoffilamenter, der forbinder de to galakser, kan give vigtig indsigt i deres fremtid.

"Fordi mørkt stof dominerer dynamikken i universet, det bestemmer dybest set vores skæbne, " sagde Jeong. "Så vi kan bede en computer om at udvikle kortet i milliarder af år for at se, hvad der vil ske i lokaluniverset. Og vi kan udvikle modellen tilbage i tiden for at forstå historien om vores kosmiske kvarter."

Forskerne mener, at de kan forbedre nøjagtigheden af ​​deres kort ved at tilføje flere galakser. Planlagte astronomiske undersøgelser, for eksempel ved at bruge James Web Space Telescope, kunne give dem mulighed for at tilføje svage eller små galakser, der endnu ikke er observeret, og galakser, der er længere væk.