Wetenschappers hebben vage vervormingen in de patronen van het vroegste licht van het universum gedecodeerd om enorme buisachtige structuren in kaart te brengen die onzichtbaar zijn voor onze ogen - bekend als filamenten - die dienen als snelwegen voor het transporteren van materie naar dichte hubs zoals clusters van sterrenstelsels.

Het internationale wetenschappelijke team, waaronder onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en UC Berkeley, analyseerde gegevens van eerdere luchtonderzoeken met behulp van geavanceerde beeldherkenningstechnologie om inzicht te krijgen in de op zwaartekracht gebaseerde effecten die de vormen van deze filamenten identificeren. Ze gebruikten ook modellen en theorieën over de filamenten om hun analyse te begeleiden en te interpreteren.

Gepubliceerd op 9 april in het tijdschrift Natuurastronomie , de gedetailleerde verkenning van filamenten zal onderzoekers helpen om de vorming en evolutie van het kosmische web – de grootschalige structuur van materie in het universum – beter te begrijpen, inclusief de mysterieuze, ongeziene materie die bekend staat als donkere materie en die ongeveer 85 procent van de totale massa van het universum uitmaakt.

Donkere materie vormt de filamenten - waarvan onderzoekers hebben geleerd dat ze zich over honderden miljoenen lichtjaren uitstrekken en buigen - en de zogenaamde halo's die clusters van sterrenstelsels hosten, worden gevoed door het universele netwerk van filamenten. Meer studies van deze filamenten kunnen nieuwe inzichten opleveren over donkere energie, een ander mysterie van het universum dat zijn versnellende uitdijing aandrijft.

Filamenteigenschappen kunnen ook zwaartekrachttheorieën op de proef stellen, inclusief Einsteins algemene relativiteitstheorie, en belangrijke aanwijzingen geven om een ​​schijnbare mismatch te helpen oplossen in de hoeveelheid zichtbare materie die voorspeld wordt in het universum - het 'ontbrekende baryonprobleem'.

"Meestal bestuderen onderzoekers deze filamenten niet rechtstreeks - ze kijken naar sterrenstelsels in observaties, " zei Shirley Ho, een senior wetenschapper bij Berkeley Lab en Cooper-Siegel universitair hoofddocent natuurkunde aan de Carnegie Mellon University die het onderzoek leidde. "We gebruikten dezelfde methoden om de filamenten te vinden die Yahoo en Google gebruiken voor beeldherkenning, zoals het herkennen van de namen van straatnaamborden of het vinden van katten op foto's."

De studie gebruikte gegevens van de Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, of BAAS, een op aarde gebaseerd hemelonderzoek dat licht van ongeveer 1,5 miljoen sterrenstelsels heeft opgevangen om de uitdijing van het universum en de patroonverdeling van materie in het universum te bestuderen, in gang gezet door de voortplanting van geluidsgolven, of "baryonische akoestische oscillaties, " kabbelend in het vroege heelal.

Het BOSS-onderzoeksteam, waarin wetenschappers van Berkeley Lab een sleutelrol speelden, produceerde een catalogus van waarschijnlijke filamentstructuren die clusters van materie met elkaar verbond waaruit onderzoekers in de laatste studie putten.

Onderzoekers vertrouwden ook op nauwkeurige, ruimtegebaseerde metingen van de kosmische microgolfachtergrond, of CMB, dat is het bijna uniforme overblijfselsignaal van het eerste licht van het universum. Hoewel deze lichtsignatuur overal in het universum erg op elkaar lijkt, er zijn regelmatig fluctuaties die in eerdere onderzoeken in kaart zijn gebracht.

In de laatste studie, onderzoekers richtten zich op patroonfluctuaties in de CMB. Ze gebruikten geavanceerde computeralgoritmen om de afdruk van filamenten te zoeken van op zwaartekracht gebaseerde vervormingen in de CMB, bekend als zwakke lenseffecten, die worden veroorzaakt door het CMB-licht dat door materie gaat.

Aangezien sterrenstelsels in de dichtste gebieden van het heelal leven, het zwakke lenssignaal van de afbuiging van CMB-licht is het sterkst van die delen. Donkere materie bevindt zich in de halo's rond die sterrenstelsels, en het was ook bekend dat het zich vanuit die dichtere gebieden in filamenten verspreidde.

"We wisten dat deze filamenten ook een afbuiging van CMB zouden veroorzaken en ook een meetbaar zwak zwaartekrachtlenssignaal zouden produceren, " zei Siyu He, de hoofdauteur van de studie die een Ph.D. onderzoeker van Carnegie Mellon University - ze is nu bij Berkeley Lab en is ook verbonden aan UC Berkeley. Het onderzoeksteam gebruikte statistische technieken om de "ruggen, " of punten met een hogere dichtheid die theorieën hen informeerden, zouden wijzen op de aanwezigheid van filamenten.

"We probeerden niet alleen 'de punten met elkaar te verbinden' - we probeerden deze richels in de dichtheid te vinden, de lokale maximale punten in dichtheid, "zei ze. Ze controleerden hun bevindingen met andere filament- en melkwegclustergegevens, en met "spotten, " of gesimuleerde filamenten op basis van observaties en theorieën. Het team gebruikte grote kosmologische simulaties die zijn gegenereerd in het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) van Berkeley Lab, bijvoorbeeld, om te controleren op fouten in hun metingen.

De filamenten en hun verbindingen kunnen van vorm en verbindingen veranderen in tijdschalen van honderden miljoenen jaren. De concurrerende krachten van de zwaartekracht en de uitdijing van het heelal kunnen de filamenten verkorten of verlengen.

"Filamenten zijn dit integrale onderdeel van het kosmische web, hoewel het onduidelijk is wat de relatie is tussen de onderliggende donkere materie en de filamenten, " en dat was een primaire motivatie voor de studie, zei Simone Ferraro, een van de auteurs van het onderzoek, een postdoctoraal onderzoeker van Miller aan het UC Berkeley's Center for Cosmological Physics.

Nieuwe gegevens van bestaande experimenten, en hemelonderzoeken van de volgende generatie zoals het door Berkeley Lab geleide Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) dat nu in aanbouw is bij Kitt Peak National Observatory in Arizona, zou nog meer gedetailleerde gegevens over deze filamenten moeten opleveren, hij voegde toe.

Onderzoekers merkten op dat deze belangrijke stap in het speuren naar de vormen en locaties van filamenten ook nuttig zou moeten zijn voor gerichte onderzoeken die proberen te identificeren welke soorten gassen de filamenten bewonen, de temperaturen van deze gassen, en de mechanismen voor hoe deeltjes binnenkomen en bewegen in de filamenten. De studie stelde hen ook in staat om de lengte van filamenten te bepalen.

Siyu He zei dat het oplossen van de filamentstructuur ook aanwijzingen kan geven voor de eigenschappen en inhoud van de holtes in de ruimte rond de filamenten, en "hulp bij andere theorieën die modificaties zijn van de algemene relativiteitstheorie, " ze zei.

Ho heeft toegevoegd, "We kunnen deze filamenten misschien ook gebruiken om donkere energie te beperken - hun lengte en breedte kunnen ons iets vertellen over de parameters van donkere energie."