Les scientifiques ont décodé de faibles distorsions dans les motifs de la première lumière de l'univers pour cartographier d'énormes structures tubulaires invisibles à nos yeux – connues sous le nom de filaments – qui servent d'autoroutes pour acheminer de la matière vers des centres denses tels que des amas de galaxies.

L'équipe scientifique internationale, qui comprenait des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie et de l'UC Berkeley, analysé les données des relevés du ciel passés à l'aide d'une technologie sophistiquée de reconnaissance d'images pour se concentrer sur les effets basés sur la gravité qui identifient les formes de ces filaments. Ils ont également utilisé des modèles et des théories sur les filaments pour guider et interpréter leur analyse.

Publié le 9 avril dans la revue Astronomie de la nature , l'exploration détaillée des filaments aidera les chercheurs à mieux comprendre la formation et l'évolution de la toile cosmique - la structure à grande échelle de la matière dans l'univers - y compris le mystérieux, substance invisible connue sous le nom de matière noire qui représente environ 85 pour cent de la masse totale de l'univers.

La matière noire constitue les filaments - dont les chercheurs ont appris qu'ils s'étirent et se plient généralement sur des centaines de millions d'années-lumière - et les soi-disant halos qui hébergent les amas de galaxies sont alimentés par le réseau universel de filaments. D'autres études sur ces filaments pourraient fournir de nouvelles informations sur l'énergie noire, un autre mystère de l'univers qui entraîne son expansion accélérée.

Les propriétés des filaments pourraient également mettre les théories de la gravité à l'épreuve, y compris la théorie de la relativité générale d'Einstein, et prêter des indices importants pour aider à résoudre une inadéquation apparente dans la quantité de matière visible qui devrait exister dans l'univers - le "problème du baryon manquant".

"Habituellement, les chercheurs n'étudient pas ces filaments directement - ils regardent les galaxies dans les observations, " a déclaré Shirley Ho, un scientifique principal au Berkeley Lab et Cooper-Siegel professeur agrégé de physique à l'Université Carnegie Mellon qui a dirigé l'étude. "Nous avons utilisé les mêmes méthodes pour trouver les filaments que Yahoo et Google utilisent pour la reconnaissance d'images, comme reconnaître les noms des panneaux de signalisation ou trouver des chats sur des photos."

L'étude a utilisé les données du Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, ou PATRON, une étude du ciel terrestre qui a capturé la lumière d'environ 1,5 million de galaxies pour étudier l'expansion de l'univers et la distribution structurée de la matière dans l'univers mise en mouvement par la propagation des ondes sonores, ou "oscillations acoustiques baryoniques, " ondulation dans l'univers primitif.

L'équipe d'enquête BOSS, qui mettait en vedette des scientifiques de Berkeley Lab dans des rôles clés, a produit un catalogue de structures de filaments probables qui reliaient des amas de matière dont les chercheurs se sont tirés dans la dernière étude.

Les chercheurs se sont également appuyés sur des données précises, mesures spatiales du fond diffus cosmologique, ou CMB, qui est le signal résiduel presque uniforme de la première lumière de l'univers. Bien que cette signature lumineuse soit très similaire à travers l'univers, il y a des fluctuations régulières qui ont été cartographiées dans les enquêtes précédentes.

Dans la dernière étude, les chercheurs se sont concentrés sur les fluctuations modelées dans le CMB. Ils ont utilisé des algorithmes informatiques sophistiqués pour rechercher l'empreinte des filaments des distorsions basées sur la gravité dans le CMB, connus sous le nom d'effets de lentille faibles, qui sont causées par la lumière CMB traversant la matière.

Puisque les galaxies vivent dans les régions les plus denses de l'univers, le faible signal de lentille provenant de la déviation de la lumière CMB est le plus fort de ces parties. La matière noire réside dans les halos autour de ces galaxies, et était également connu pour se propager à partir de ces zones plus denses en filaments.

"Nous savions que ces filaments devraient également provoquer une déviation du CMB et produiraient également un faible signal de lentille gravitationnel mesurable, " dit Siyu He, l'auteur principal de l'étude, titulaire d'un doctorat. chercheuse de l'Université Carnegie Mellon - elle est maintenant au Berkeley Lab et est également affiliée à l'UC Berkeley. L'équipe de recherche a utilisé des techniques statistiques pour identifier et comparer les « crêtes, " ou des points de densité plus élevée que les théories les ont informés indiqueraient la présence de filaments.

"Nous n'essayions pas seulement de « relier les points » - nous essayions de trouver ces crêtes dans la densité, les points maximaux locaux en densité, " dit-elle. Ils ont vérifié leurs découvertes avec d'autres données de filaments et d'amas de galaxies, et avec "des moqueries, " ou des filaments simulés sur la base d'observations et de théories. L'équipe a utilisé de grandes simulations cosmologiques générées au Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), par exemple, pour vérifier les erreurs dans leurs mesures.

Les filaments et leurs connexions peuvent changer de forme et de connexions sur des échelles de temps de centaines de millions d'années. Les forces concurrentes de l'attraction de la gravité et de l'expansion de l'univers peuvent raccourcir ou allonger les filaments.

"Les filaments sont cette partie intégrante de la toile cosmique, bien qu'il ne soit pas clair quelle est la relation entre la matière noire sous-jacente et les filaments, " et c'était une des principales motivations de l'étude, dit Simone Ferraro, l'un des auteurs de l'étude qui est boursier postdoctoral Miller au Center for Cosmological Physics de l'UC Berkeley.

De nouvelles données d'expériences existantes, et les relevés du ciel de nouvelle génération tels que l'instrument spectroscopique d'énergie sombre dirigé par le laboratoire Berkeley (DESI) actuellement en construction à l'observatoire national de Kitt Peak en Arizona devraient fournir des données encore plus détaillées sur ces filaments, il ajouta.

Les chercheurs ont noté que cette étape importante dans l'étude des formes et des emplacements des filaments devrait également être utile pour des études ciblées qui cherchent à identifier les types de gaz qui habitent les filaments, les températures de ces gaz, et les mécanismes par lesquels les particules entrent et se déplacent dans les filaments. L'étude leur a également permis de déterminer la longueur des filaments.

Siyu He a déclaré que la résolution de la structure du filament peut également fournir des indices sur les propriétés et le contenu des vides dans l'espace autour des filaments, et "aider avec d'autres théories qui sont des modifications de la relativité générale, " elle a dit.

Ho ajouté, "Nous pouvons aussi peut-être utiliser ces filaments pour contraindre l'énergie noire - leur longueur et leur largeur peuvent nous renseigner sur les paramètres de l'énergie noire."