Une approche informatique inspirée des schémas de croissance d'une moisissure visqueuse jaune vif a permis à une équipe d'astronomes et d'informaticiens de l'UC Santa Cruz de tracer les filaments de la toile cosmique qui relie les galaxies à travers l'univers.

leurs résultats, publié le 10 mars dans Lettres de revues astrophysiques , fournissent la première association concluante entre le gaz diffus dans l'espace entre les galaxies et la structure à grande échelle de la toile cosmique prédite par la théorie cosmologique.

Selon la théorie dominante, comme l'univers a évolué après le big bang, la matière s'est distribuée dans un réseau semblable à une toile de filaments interconnectés séparés par d'énormes vides. Des galaxies lumineuses pleines d'étoiles et de planètes se sont formées aux intersections et aux régions les plus denses des filaments où la matière est la plus concentrée. Les filaments d'hydrogène gazeux diffus s'étendant entre les galaxies sont en grande partie invisibles, bien que les astronomes aient réussi à en apercevoir certaines parties.

Rien de tout cela ne semble avoir quoi que ce soit à voir avec une modeste moisissure visqueuse appelée Physarum polycephalum, généralement trouvé sur des rondins en décomposition et des feuilles mortes sur le sol forestier et formant parfois des masses jaunes spongieuses sur les pelouses. Mais Physarum a une longue histoire de scientifiques surprenants avec sa capacité à créer des réseaux de distribution optimaux et à résoudre des problèmes d'organisation spatiale difficiles en termes de calcul. Dans une expérience célèbre, une moisissure visqueuse a reproduit la disposition du système ferroviaire japonais en connectant des sources de nourriture disposées pour représenter les villes autour de Tokyo.

Joe Burchett, chercheur postdoctoral en astronomie et astrophysique à l'UC Santa Cruz, avait cherché un moyen de visualiser la toile cosmique à grande échelle, mais il était sceptique quand Oskar Elek, chercheur postdoctoral en médias informatiques, suggéré en utilisant un algorithme basé sur Physarum. Après tout, des forces complètement différentes façonnent la toile cosmique et la croissance d'une moisissure visqueuse.

Mais Elek, qui a toujours été fasciné par les motifs de la nature, avait été impressionné par les « biofabrications » de Physarum de l'artiste berlinois Sage Jenson. En commençant par le modèle Physarum bidimensionnel utilisé par Jenson (développé à l'origine en 2010 par Jeff Jones), Elek et un ami (le programmeur Jan Ivanecky) l'ont étendu à trois dimensions et ont apporté des modifications supplémentaires pour créer un nouvel algorithme qu'ils ont appelé la Monte Carlo Physarum Machine.

Burchett a donné à Elek un ensemble de données de 37, 000 galaxies du Sloan Digital Sky Survey (SDSS), et quand ils lui ont appliqué le nouvel algorithme, le résultat était une représentation assez convaincante de la toile cosmique.

"C'était une sorte de moment Eurêka, et je suis devenu convaincu que le modèle de moisissure visqueuse était la voie à suivre pour nous, " a déclaré Burchett. " C'est un peu une coïncidence si ça marche, mais pas entièrement. Une moisissure visqueuse crée un réseau de transport optimisé, trouver les voies les plus efficaces pour connecter les sources de nourriture. Dans la toile cosmique, la croissance de la structure produit des réseaux qui sont aussi, en un sens, optimale. Les processus sous-jacents sont différents, mais ils produisent des structures mathématiques qui sont analogues."

Elek a également noté que "le modèle que nous avons développé comporte plusieurs couches d'abstraction loin de son inspiration d'origine".

Bien sûr, une forte ressemblance visuelle des résultats du modèle avec la structure attendue de la toile cosmique ne prouve rien. Les chercheurs ont effectué divers tests pour valider le modèle tout en continuant à l'affiner.

Jusqu'à maintenant, les meilleures représentations de la toile cosmique sont issues de simulations informatiques de l'évolution de la structure de l'univers, montrant la distribution de la matière noire à grande échelle, y compris les halos massifs de matière noire dans lesquels se forment les galaxies et les filaments qui les relient. La matière noire est invisible, mais il représente environ 85 pour cent de la matière dans l'univers, et la gravité fait que la matière ordinaire suit la distribution de la matière noire.

L'équipe de Burchett a utilisé les données de la simulation cosmologique Bolchoï-Planck développée par Joel Primack, professeur émérite de physique à l'UC Santa Cruz, et d'autres pour tester la Monte Carlo Physarum Machine. Après avoir extrait un catalogue de halos de matière noire de la simulation, ils ont exécuté l'algorithme pour reconstruire le réseau de filaments les reliant. Lorsqu'ils ont comparé le résultat de l'algorithme à la simulation d'origine, ils ont trouvé une corrélation étroite. Le modèle de moisissure visqueuse a essentiellement reproduit le réseau de filaments dans la simulation de la matière noire, et les chercheurs ont pu utiliser la simulation pour affiner les paramètres de leur modèle.

"À partir de 450, 000 halos de matière noire, nous pouvons obtenir un ajustement presque parfait aux champs de densité dans la simulation cosmologique, " dit Elek.

Burchett a également effectué ce qu'il a appelé un "contrôle de santé mentale, " comparer les propriétés observées des galaxies SDSS avec les densités de gaz dans le milieu intergalactique prédites par le modèle de moisissure visqueuse. L'activité de formation d'étoiles dans une galaxie devrait être en corrélation avec la densité de son environnement galactique, et Burchett a été soulagé de voir les corrélations attendues.

Maintenant, l'équipe avait une structure prédite pour la toile cosmique reliant les 37, 000 galaxies SDSS, qu'ils pourraient tester par rapport aux observations astronomiques. Pour ça, ils ont utilisé les données du spectrographe des origines cosmiques du télescope spatial Hubble. Le gaz intergalactique laisse une signature d'absorption distinctive dans le spectre de la lumière qui le traverse, et les lignes de visée de centaines de quasars distants percent le volume d'espace occupé par les galaxies SDSS.

"Nous savions où devaient être les filaments de la toile cosmique grâce à la moisissure visqueuse, afin que nous puissions aller aux spectres archivés de Hubble pour les quasars qui sondent cet espace et rechercher les signatures du gaz, " expliqua Burchett. " Partout où nous avons vu un filament dans notre modèle, les spectres de Hubble ont montré un signal de gaz, et le signal est devenu plus fort vers le milieu des filaments où le gaz devrait être plus dense."

Dans les régions les plus denses, cependant, le signal est tombé. Cela correspondait aussi aux attentes, il a dit, parce que le chauffage du gaz dans ces régions ionise l'hydrogène, enlever les électrons et éliminer la signature d'absorption.

"Pour la première fois maintenant, on peut quantifier la densité du milieu intergalactique depuis les lointaines périphéries des filaments de la toile cosmique jusqu'au chaud, intérieurs denses d'amas de galaxies, " a déclaré Burchett. " Ces résultats confirment non seulement la structure de la toile cosmique prédite par les modèles cosmologiques, 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."

Burchett et Elek se sont rencontrés par l'intermédiaire du coauteur Angus Forbes, professeur agrégé de médias informatiques et directeur du laboratoire de codage créatif de l'UCSC à la Baskin School of Engineering. Burchett et Forbes avaient commencé à collaborer après s'être rencontrés lors d'une soirée micro ouvert pour musiciens à Santa Cruz, en se concentrant initialement sur une application de visualisation de données, qu'ils ont publié l'année dernière.

Forbes a également présenté à Elek le travail de Sage Jenson, pas parce qu'il pensait que cela s'appliquerait au projet de Web cosmique de Burchett, mais parce qu'"il savait que j'étais un monstre de la nature, " dit Elek.

Coauteur J. Xavier Prochaska, un professeur d'astronomie et d'astrophysique à l'UCSC qui a fait des travaux pionniers en utilisant des quasars pour sonder la structure du milieu intergalactique, mentionné, « Cette technique créative et son succès inattendu mettent en évidence la valeur des collaborations interdisciplinaires, où des perspectives et une expertise complètement différentes sont mises en œuvre sur des problèmes scientifiques. »

Le laboratoire de codage créatif de Forbes combine des approches des arts médiatiques, conception, et informatique. "Je pense qu'il peut y avoir de réelles opportunités lorsque vous intégrez les arts dans la recherche scientifique, " Forbes a déclaré. " Des approches créatives de la modélisation et de la visualisation des données peuvent conduire à de nouvelles perspectives qui nous aident à donner un sens aux systèmes complexes. "