Usando algoritmo inspirado em fungo, cientistas criam modelo da grande teia de gás que permeia o universo

Esta reconstrução da teia cósmica, feita usando dados de 37.662 galáxias coletadas pelo Sloan Digital Sky Survey (SDSS) foi gerada pela Monte Carlo Physarum Machine, um algoritmo baseado nos padrões de crescimento de um fungo.
Acima: visualização em larga escala da estrutura emergente identificada pelo algoritmo de mofo. Embaixo: Três pares de imagens mostrando à esquerda, as galáxias e à direita e o campo de densidade do filamento sobreposto.

Uma abordagem computacional inspirada nos padrões de crescimento de um mofo amarelo brilhante permitiu a uma equipe de astrônomos e cientistas da computação da UC Santa Cruz rastrear os filamentos da teia cósmica que conecta galáxias em todo o universo.

Os resultados, publicados em 10 de março no Astrophysical Journal Letters, fornecem a primeira associação conclusiva entre o gás difuso que existe no espaço entre galáxias e a estrutura em larga escala da teia cósmica prevista pela teoria cosmológica.

De acordo com a teoria predominante, à medida que o Universo evoluiu após o big bang, a matéria se distribuiu em uma rede de filamentos interconectados, semelhantes a teias, que são separados por grandes vazios. Nas interseções e regiões mais densas dos filamentos, onde a matéria está mais concentrada, formaram-se galáxias cheias de estrelas e planetas. Os filamentos de gás hidrogênio difuso que se estendem entre as galáxias são praticamente invisíveis, embora os astrônomos tenham conseguido vislumbrá-los parcialmente.

Nada disso parece ter qualquer coisa a ver  com um fungo modesto chamado Physarum polycephalum, normalmente encontrado em troncos em decomposição e lixo de folhas no chão da floresta e às vezes formando massas amarelas esponjosas nos gramados. Mas o Physarum há muito surpreende os cientistas  com sua capacidade de criar redes de distribuição ideais e resolver problemas de organização espacial que são computacionalmente complexos.

Joe Burchett, pesquisador de pós-doutorado em astronomia e astrofísica na Universidade da Califórnia em  Santa Cruz, estava procurando uma maneira de visualizar a rede cósmica em larga escala, mas ficou cético quando Oskar Elek, pesquisador de pós-doutorado em mídia computacional, sugeriu o uso de um algoritmo baseado no Physarum. Afinal, forças completamente diferentes moldam a teia cósmica e o crescimento de um fungo gelatinoso.

Mas Elek, que sempre foi fascinado pelos padrões da natureza, ficou impressionado com as “biofabricações” do Physarum criadas pelo artista Sage Jenson, de Berlim. Partindo de um modelo bidimensional do Physarum usado por Jenson (originalmente desenvolvido em 2010 por Jeff Jones), Elek e um amigo (programador Jan Ivanecky) estenderam-no para três dimensões e fizeram modificações adicionais para criar um novo algoritmo chamado de Monte Carlo Physarum Machine .

Burchett deu a Elek um conjunto de dados de 37.000 galáxias do Sloan Digital Sky Survey (SDSS) e, quando executaram o novo algoritmo com essas informações, o resultado foi uma representação bastante convincente da teia cósmica.

“Foi um momento de Eureka, e fiquei convencido de que o modelo do mofo era o caminho a seguir”, disse Burchett. “É um tanto coincidente que funcione, mas não inteiramente. Um mofo cria uma rede de transporte otimizada, encontrando os caminhos mais eficientes para conectar fontes de alimentos. Na web cósmica, o crescimento da estrutura produz redes que também são, de certa forma, Os processos subjacentes são diferentes, mas produzem estruturas matemáticas que são análogas “.

Elek também observou que “o modelo que desenvolvemos está a várias camadas de abstração da sua inspiração original”.

Obviamente, uma forte semelhança visual dos resultados do modelo com a estrutura esperada da rede cósmica não prova nada. Os pesquisadores realizaram uma variedade de testes para validar o modelo, enquanto continuavam a refiná-lo.

Até agora, as melhores representações da rede cósmica emergiram de simulações de computador da evolução da estrutura no Universo, mostrando a distribuição da matéria escura em grandes escalas, incluindo os halos gigantescos de matéria escura nas quais as galáxias se formam e os filamentos que as conectam . A matéria escura é invisível, mas compõe cerca de 85% da matéria no Universo, e a gravidade faz com que a matéria comum siga a distribuição da matéria escura.

A equipe de Burchett usou dados da simulação cosmológica de Bolshoi-Planck – desenvolvida por Joel Primack, professor emérito de física da UC Santa Cruz e outros – para testar a máquina de Monte Carlo Physarum. Após extrair um catálogo de halos de matéria escura da simulação, eles executaram o algoritmo para reconstruir a rede de filamentos que as conectam. Quando compararam o resultado do algoritmo à simulação original, encontraram uma forte correlação. O modelo do fungo replicou essencialmente a teia de filamentos na simulação de matéria escura, e os pesquisadores foram capazes de usar a simulação para ajustar os parâmetros de seu modelo.

“Começando com 450.000 halos de matéria escura, podemos ajustar quase perfeitamente os campos de densidade na simulação cosmológica”, disse Elek.

Burchett também realizou o que chamou de “verificação de sanidade”, comparando as propriedades observadas das galáxias SDSS com as densidades de gás no meio intergalático previstas pelo modelo de mofo. A atividade de formação de estrelas em uma galáxia deve se correlacionar com a densidade de seu ambiente galáctico, e Burchett ficou aliviado ao ver as correlações esperadas.

Agora, a equipe tinha uma estrutura prevista para a teia cósmica conectando as 37.000 galáxias SDSS, que poderiam ser testadas contra observações astronômicas. Para isso, eles usaram dados do Espectrômetro de Origem Cósmica do Telescópio Espacial Hubble. O gás intergalático deixa uma assinatura de absorção distinta no espectro de luz que passa por ele, e as linhas de visada  de centenas de quasares distantes cruzam  o volume de espaço ocupado pelas galáxias do SDSS.

“Sabíamos onde os filamentos da teia cósmica deveriam estar graças ao mofo, e pudemos ir aos espectros arquivados do Hubble com os quasares cuja luz atravessa essa região e procurar pelas assinaturas do gás”, explicou Burchett. “Onde havia  um filamento em nosso modelo, os espectros do Hubble mostravam um sinal de gás, e o sinal ficava mais forte no meio dos filamentos onde o gás deveria ser mais denso”.

Nas regiões mais densas, no entanto, o sinal caiu. Isso também correspondeu às expectativas, disse ele, porque o aquecimento do gás nessas regiões ioniza o hidrogênio, arrancando elétrons e eliminando a assinatura de absorção.

“Pela primeira vez, podemos quantificar a densidade do meio intergaláctico, desde a periferia remota dos filamentos cósmicos da web até os interiores quentes e densos dos aglomerados de galáxias”, disse Burchett. “Esses resultados não apenas confirmam a estrutura da teia cósmica prevista pelos modelos cosmológicos, mas também nos permitem melhorar nossa compreensão da evolução das galáxias, conectando-a aos reservatórios de gás dos quais as galáxias se formam”.