Un’immagine tipo diagramma che rappresenta gusci stellari e flussi mareali negli aloni delle galassie vicine. Informazioni nascoste nelle mappe delle galassie sparse nell’universo potrebbero presto emergere, grazie a un nuovo modo di interrogare i dati che preserva la natura tridimensionale di queste mappe. Queste informazioni nascoste potrebbero essere vitali per dirci se il modello standard della cosmologia è corretto, o se ci sono deviazioni che potrebbero influenzare la nostra comprensione dell’”universo oscuro”, che comprende materia oscura ed energia oscura. La ricerca, guidata dall’astronomo Minh Nguyen dell’Università di Tokyo, utilizza potenti algoritmi informatici in grado di confrontare le posizioni relative delle galassie in una mappa 3D dell’universo con simulazioni dettagliate che descrivono la crescita e il comportamento delle galassie e degli aloni di materia oscura. In passato, gli astronomi conducevano indagini sulle galassie scattando immagini dello spazio profondo su lastre fotografiche e poi misurando direttamente sulle lastre, in due dimensioni, la distribuzione spaziale delle galassie. Cercavano di rispondere a domande come “Quanto sono vicine queste galassie ai loro vicini?” e “Quanto sono allineate tra loro?”. Nei tempi moderni, a queste indagini può essere aggiunta una terza dimensione. Tutto ciò è possibile grazie alla spettroscopia multi-oggetto, che misura il redshift di queste galassie, e quindi la distanza da esse in un universo in espansione, in un volume di spazio osservato. Con tali misurazioni delle distanze galattiche, è effettivamente possibile creare una mappa tridimensionale dell’universo. Tuttavia, la potenza di calcolo necessaria per analizzare statisticamente questi dati tridimensionali delle galassie è enorme, e quindi, per efficienza, i dati 3D sono stati tradizionalmente compressi in quelle che vengono chiamate “funzioni di correlazione a n-punti”, dove “n” si riferisce a un numero (di solito due o tre punti di dati come menzionato sopra). Questo va bene nella maggior parte dei casi, ma c’è sempre stato il sospetto che comprimere e analizzare i dati in questo modo comporti la perdita o la nascosta di informazioni. E ora, utilizzando una tecnica chiamata “inferenza a livello di campo” (FLI) in combinazione con una suite di algoritmi in un framework chiamato “LEFTfield” che modella la crescita e l’aggregazione delle galassie dall’universo primordiale fino ai giorni nostri, il team di Nguyen ha dimostrato che informazioni vitali vengono effettivamente soppresse dalla compressione. Il team ha vinto il terzo posto nel Buchalter Cosmology Prize per questo risultato. “Nell’inferenza a livello di campo, lavoriamo direttamente con una mappa 3D delle galassie,” ha detto Nguyen. La mappa è rappresentata sul computer da voxel, che sono come pixel tridimensionali in una griglia a reticolo. La FLI poi rappresenta in questo reticolo di voxel ciò che prevede che la struttura 3D delle galassie e della materia oscura sottostante dovrebbe sembrare secondo il modello standard della cosmologia (che descrive come la struttura su larga scala nell’universo si evolve sotto l’influenza della materia oscura e dell’energia oscura). “Con l’aiuto di potenti algoritmi informatici, la FLI mira a far corrispondere quelle previsioni con la posizione osservata delle galassie in ogni punto del reticolo 3D,” ha detto Nguyen. Le funzioni a n-punti sono popolari perché accelerano il tempo di elaborazione e sono più efficienti da usare, ma gli algoritmi odierni sono abbastanza sofisticati da colmare il divario e permettere l’analisi dei dati completi e non compressi. “Fortunatamente, ci sono algoritmi informatici moderni che possono accelerare l’esplorazione, o il campionamento, di questo vasto spazio dei parametri,” ha detto Nguyen. Nguyen e i suoi colleghi — Fabian Schmidt, Beatriz Tucci, Martin Reinecke e Andrija Kostić del Max Planck Institute for Astrophysics in Germania — hanno inizialmente testato la FLI su mappe simulate di aloni di materia oscura, che sono vasti ammassi di materia oscura che circondano galassie e ammassi di galassie. Pensate agli aloni come all’impalcatura all’interno della quale la materia visibile si assembla in galassie. Più recentemente, come parte della “Beyond Two-Point Collaboration,” Nguyen e Schmidt hanno applicato la FLI anche su galassie simulate, con i risultati che saranno presto pubblicati nella serie The Astrophysical Journal Supplement. I loro risultati mostrano un miglioramento di un fattore tra tre e cinque in dettaglio e accuratezza nell’analisi FLI rispetto alle funzioni di correlazione a due e tre punti. Questo dettaglio extra indica che ci sono informazioni che vengono nascoste nel vecchio modo di fare le cose. E cosa può dirci questa informazione finora nascosta? Le strutture su larga scala nell’universo — le grandi catene di ammassi di galassie che si estendono nel cosmo — possono essere ricondotte alle fluttuazioni quantistiche nel big bang che hanno portato a sovradensità che sono cresciute sotto la gravità in galassie. La FLI potrebbe rivelare asimmetrie in queste fluttuazioni che sono rimaste congelate nel tempo sotto forma di distribuzione delle galassie, o come anomalie nell’evoluzione gravitazionale delle galassie nell’universo più recente potrebbero rivelare dettagli sulla materia oscura, o in effetti sulla gravità stessa. Inoltre, “Avendo accesso all’intero campo sottostante di materia oscura associato al campo delle galassie osservate, potremmo essere più sensibili agli effetti locali,” ha detto Nguyen. “Tali effetti locali sono mediati nelle analisi che utilizzano funzioni a n-punti.” Il prossimo passo è mettere alla prova la FLI con dati reali provenienti dallo strumento Dark Energy Spectroscopic Instrument al Kitt Peak National Observatory, lo Subaru Prime Focus Spectrograph e la missione Euclid dell’Agenzia Spaziale Europea, e in futuro l’Osservatorio Vera C. Rubin che dovrebbe vedere la prima luce entro quest’anno in Cile, così come il Nancy Grace Roman Space Telescope che dovrebbe essere lanciato nel 2027. Tutti condurranno indagini sul redshift delle galassie per assemblare vaste mappe 3D della distribuzione galattica. Quando si tratta dell’universo oscuro e di come ha influenzato la crescita delle galassie nelle strutture su larga scala nell’universo, c’è ancora molto che non conosciamo. Ma con la FLI, è possibile descrivere la distribuzione della materia oscura associata alle galassie nella mappa. “È piuttosto interessante, dato che non possiamo osservare direttamente la materia oscura, ed è complementare alle mappe della materia oscura costruite dalla lente gravitazionale,” ha detto Fabian Schmidt. In definitiva, la mappatura delle galassie non riguarda solo la descrizione pittorica dell’universo; potrebbe alla fine tracciare il percorso verso rivelazioni sulle origini di tutto ciò che vediamo nel cosmo. La ricerca è stata pubblicata il 27 novembre 2024 sulla rivista Physical Review Letters.
Gli scienziati trovano indizi dell’universo oscuro nelle mappe 3D del cosmo
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