La matière dans l'Univers n'est pas distribuée également. Il est dominé par des super-clusters et les filaments de matière qui les enchaînent, entourés d'énormes vides. Les superamas de galaxies sont au sommet de la hiérarchie. À l'intérieur, tout le reste: groupes et amas de galaxies, galaxies individuelles et systèmes solaires. Cette structure hiérarchique est appelée «Web cosmique».
Mais comment et pourquoi l'Univers a-t-il pris cette forme?
Une équipe d'astronomes et d'informaticiens de l'Université de Californie à Santa Cruz a adopté une approche intéressante pour le comprendre. Ils ont construit un modèle informatique basé sur les modèles de croissance des moisissures visqueuses. Ce n'est pas la première fois que les moisissures visqueuses aident à expliquer d'autres motifs dans la nature.
L'équipe a publié une étude décrivant ses résultats intitulée «Révéler les fils sombres du Web cosmique». L'auteur principal est Joseph Burchett, chercheur postdoctoral en astronomie et astrophysique à l'UC Santa Cruz. L'étude a été publiée dans The Astrophysical Journal Letters.
La théorie cosmologique moderne prédit que la matière prendra la forme de ces superamas et filaments et des vastes vides qui les séparent. Mais jusque dans les années 1980, les scientifiques pensaient que les amas de galaxies étaient la plus grande structure, et ils pensaient également que ces amas étaient répartis uniformément dans tout l'Univers.
Ensuite, des super-clusters ont été découverts. Puis des groupes de quasars. Il a continué, avec de plus en plus de découvertes de structures et de vides. Puis est venu le Sloan Digital Sky Survey et une immense carte 3D de l'Univers, et d'autres efforts comme la Millennium Simulation.
Les filaments de matière qui relient tous ces superamas et groupes de galaxies sont difficiles à voir. Pour la plupart, c'est juste de l'hydrogène diffus. Mais les astronomes ont réussi à en apercevoir.
Entrez dans le moule visqueux. Les moisissures visqueuses sont des organismes unicellulaires qui vivent parfaitement bien en tant que cellules uniques, mais forment également de manière autonome des structures multicellulaires agrégées. Lorsque la nourriture est abondante, ils agissent seuls, mais lorsque la nourriture est plus rare, ils se regroupent. Dans l'état collectif, ils sont mieux à même de détecter les produits chimiques, de trouver de la nourriture et peuvent même former des tiges qui produisent des spores.
Les moisissures visqueuses sont des créatures remarquables, et les scientifiques ont été intrigués et intrigués par la capacité de la créature à «créer des réseaux de distribution optimaux et à résoudre des problèmes d'organisation spatiale difficiles à calculer», comme le dit un communiqué de presse. En 2018, des scientifiques japonais ont rapporté qu'un moule de boue était capable de reproduire la disposition du système ferroviaire de Tokyo.
Oskar Elek est chercheur postdoctoral en médias informatiques à l'Université de C, Santa Cruz. Il a suggéré à l'auteur principal Joseph Burchett que les moisissures visqueuses puissent être capables d'imiter la distribution cosmique de la matière et de fournir un moyen de la visualiser.
Burchett était initialement sceptique.
"C'était une sorte de moment Eureka, et je suis devenu convaincu que le modèle de moule de boue était la voie à suivre pour nous."
Joseph Burchett, auteur principal. Université de C, Santa Cruz.
S'inspirant de l'inspiration 2D du monde de l'art, Elek et un autre programmeur ont créé un algorithme 3D de comportement des moisissures visqueuses qu'ils appellent la Monte Carlo Physarum Machine. Physarum est un organisme modèle utilisé dans toutes sortes de recherches.
Burchett a décidé de fournir à Elek les données du Sloan Digital Sky Survey qui contenaient 37 000 galaxies et leur distribution dans l'espace. Lorsqu'ils ont exécuté l'algorithme du moule visqueux, le résultat a été «une représentation assez convaincante du Web cosmique».
"C'était une sorte de moment Eureka, et je suis devenu convaincu que le modèle de moule de boue était la voie à suivre pour nous", a déclaré Burchett. "C'est un peu une coïncidence que cela fonctionne, mais pas entièrement. Un moule visqueux crée un réseau de transport optimisé, trouvant les voies les plus efficaces pour connecter les sources de nourriture. Dans le Web cosmique, la croissance de la structure produit des réseaux qui sont également, dans un sens, optimaux. Les processus sous-jacents sont différents, mais ils produisent des structures mathématiques analogues. »
Mais même s'il est convaincant, le moule visqueux n'était qu'une représentation visuelle de la structure à grande échelle. L'équipe ne s'est pas arrêtée là. Ils ont affiné l'algorithme et effectué des tests supplémentaires pour essayer de valider leur modèle.
C'est là que Dark Matter entre dans l'histoire. D'une certaine manière, la structure à grande échelle de l'Univers est la distribution à grande échelle de la matière noire. Les galaxies se forment en halos massifs de matière noire, avec de longues structures filamenteuses les reliant. La matière noire comprend environ 85% de la matière dans l'Univers, et l'attraction gravitationnelle de tout ce que la matière noire façonne la distribution de la matière «régulière».
L'équipe de chercheurs a mis la main sur un catalogue de halos de matière noire d'une autre simulation scientifique. Ensuite, ils ont exécuté leur algorithme basé sur le moule visqueux avec ces données, pour voir s'il pouvait reproduire le réseau de filaments reliant tous ces halos. Le résultat a été une corrélation très étroite avec la simulation d'origine.
"À partir de 450 000 halos de matière noire, nous pouvons obtenir un ajustement presque parfait aux champs de densité dans la simulation cosmologique", a déclaré Elek dans le communiqué de presse.
L'algorithme du moule visqueux a reproduit le réseau filamenteux, et les chercheurs ont utilisé ces résultats pour affiner davantage leur algorithme.
À ce stade, l'équipe possédait une prédiction de la structure de la structure à grande échelle et du réseau cosmique reliant tout. L'étape suivante consistait à le comparer à un autre ensemble de données d'observation. Pour cela, ils sont allés au vénérable télescope spatial Hubble. Le spectrographe Cosmic Origins (COS) de ce télescope étudie la structure à grande échelle de l'Univers par spectroscopie de gaz intergalactique. Ce gaz n'émet aucune lumière propre, la spectroscopie est donc essentielle. Plutôt que de se concentrer sur le gaz lui-même, le COS étudie la lumière des quasars éloignés lors de son passage dans le gaz, et comment le gaz intergalactique affecte cette lumière.
"Nous savions où les filaments de la toile cosmique devraient être grâce au moule visqueux, afin que nous puissions aller vers les spectres Hubble archivés pour les quasars qui sondent cet espace et recherchent les signatures du gaz", a expliqué Burchett. "Partout où nous avons vu un filament dans notre modèle, les spectres de Hubble ont montré un signal de gaz, et le signal s'est intensifié vers le milieu des filaments où le gaz devrait être plus dense."
Cela demande un autre Eureka.
"Pour la première fois maintenant, nous pouvons quantifier la densité du milieu intergalactique depuis la périphérie éloignée des filaments du Web cosmique jusqu'aux intérieurs chauds et denses des amas de galaxies", a déclaré Burchett. "Ces résultats confirment non seulement la structure du réseau cosmique prédite par les modèles cosmologiques, mais ils nous donnent également un moyen d'améliorer notre compréhension de l'évolution des galaxies en la connectant aux réservoirs de gaz à partir desquels les galaxies se forment."
Cette étude montre ce qui peut être accompli lorsque différents chercheurs sortent de leurs silos et coopèrent dans différentes disciplines. La cosmologie, l'astronomie, la programmation informatique, la biologie et même l'art ont tous contribué à ce résultat très intéressant.
"Je pense qu'il peut y avoir de réelles opportunités lorsque vous intégrez les arts dans la recherche scientifique", a déclaré le co-auteur Angus Forbes du laboratoire UCSC Creative Coding. «Les approches créatives de la modélisation et de la visualisation des données peuvent conduire à de nouvelles perspectives qui nous aident à comprendre les systèmes complexes.»
Plus:
- Communiqué de presse: Les astronomes utilisent un modèle de moule visqueux pour révéler les fils sombres du Web cosmique
- Document de recherche: Révéler les fils sombres du Web cosmique
- Space Magazine: Une nouvelle carte en 3D montre des structures à grande échelle dans l'univers il y a 9 milliards d'années
