Novo mapa de matéria escura revela pontes ocultas entre galáxias

Mapa desenvolvido graças a aprendizado de máquina mostrou estruturas filamentares antes desconhecidas ligando galáxias no universo local

Anel de matéria escura cercando o aglomerado de galáxias CL0024+17: novo mapa abre caminho para estudar a natureza dessa substância. Crédito: Nasa, ESA, M. J. Jee e H. Ford et al. (Universidade Johns Hopkins)

Um novo mapa de matéria escura no universo local revela várias estruturas filamentares até então desconhecidas conectando galáxias. O mapa, desenvolvido por meio de aprendizado de máquina por uma equipe internacional, pode permitir estudos sobre a natureza da matéria escura, bem como sobre a história e o futuro de nosso universo local. O trabalho foi apresentado na revista Astrophysical Journal.

A matéria escura é uma substância indescritível que constitui 80% do universo. Também fornece a estrutura para o que os cosmologistas chamam de teia cósmica, a estrutura em grande escala do universo que, devido à sua influência gravitacional, dita o movimento das galáxias e de outros materiais cósmicos. No entanto, a distribuição da matéria escura local é atualmente desconhecida porque não pode ser medida diretamente. Os pesquisadores devem, em vez disso, inferir sua distribuição com base em sua influência gravitacional em outros objetos no universo, como galáxias.

“Ironicamente, é mais fácil estudar a distribuição da matéria escura muito mais longe porque ela reflete o passado muito distante, que é muito menos complexo”, disse Donghui Jeong, professor associado de astronomia e astrofísica da Universidade Estadual da Pensilvânia (Penn State, nos EUA) e autor correspondente do estudo. “Com o tempo, conforme a estrutura em grande escala do universo cresceu, a complexidade do universo aumentou. Então, é inerentemente mais difícil fazer medições sobre a matéria escura localmente.”

Abordagem diferente

As tentativas anteriores de mapear a teia cósmica começaram com um modelo do universo primordial e então simularam a evolução do modelo ao longo de bilhões de anos. No entanto, esse método é computacionalmente intensivo e até agora não conseguiu produzir resultados detalhados o suficiente para ver o universo local. No novo estudo, os pesquisadores adotaram uma abordagem completamente diferente. Eles empregaram aprendizado de máquina para construir um modelo que usa informações sobre a distribuição e o movimento das galáxias a fim de prever a distribuição da matéria escura.

Os pesquisadores construíram e treinaram seu modelo usando um grande conjunto de simulações de galáxias, chamado Illustris-TNG. Ele inclui galáxias, gases, outras matérias visíveis, bem como matéria escura. A equipe selecionou especificamente galáxias simuladas comparáveis ​​às da Via Láctea e por fim identificou quais propriedades das galáxias são necessárias para prever a distribuição da matéria escura.

“Quando recebe certas informações, o modelo pode essencialmente preencher as lacunas com base no que foi examinado antes”, disse Jeong. “O mapa de nossos modelos não se ajusta perfeitamente aos dados de simulação. Ainda assim, podemos reconstruir estruturas muito detalhadas. Descobrimos que incluir o movimento das galáxias – suas velocidades radiais peculiares – além de sua distribuição melhorou drasticamente a qualidade do mapa e nos permitiu ver esses detalhes.”

Mapa da matéria escura dentro do universo local feito pelos pesquisadores, que usa um modelo para inferir sua localização devido à sua influência gravitacional nas galáxias (pontos pretos). Esses mapas de densidade – cada um com uma seção transversal em diferentes dimensões – reproduzem características conhecidas e proeminentes do universo (vermelho) e revelam características filamentosas menores (amarelo) que agem como pontes ocultas entre galáxias. O X denota a Via Láctea e as setas denotam o movimento do universo local devido à gravidade. Crédito: Hong et. al., Astrophysical Journal
Novo capítulo

A equipe de pesquisa então aplicou seu modelo a dados reais do universo local do catálogo de galáxias Cosmicflow-3. O catálogo contém dados abrangentes sobre a distribuição e o movimento de mais de 17 mil galáxias nas proximidades da Via Láctea – dentro de 200 megaparsecs (um megaparsec equivale a 1 milhão de parsecs, ou 3.260.000 anos-luz). O mapa resultante da teia cósmica local foi publicado no Astrophysical Journal.

O mapa reproduziu sucessivamente estruturas conhecidas proeminentes no universo local, incluindo a “Folha Local” – uma região do espaço contendo a Via Láctea, galáxias próximas no ‘grupo local’ e galáxias no aglomerado de Virgem – e o “Vazio Local” – uma região do espaço relativamente vazia próxima ao grupo local. Além disso, ele identificou várias novas estruturas que requerem investigação adicional, incluindo estruturas filamentosas menores que conectam galáxias.

“Ter um mapa local da teia cósmica abre um novo capítulo do estudo cosmológico”, disse Jeong. “Podemos estudar como a distribuição da matéria escura se relaciona com outros dados de emissão, o que nos ajudará a entender a natureza da matéria escura. E podemos estudar essas estruturas filamentares diretamente, essas pontes ocultas entre galáxias.”

Informações importantes

Por exemplo, foi sugerido que a Via Láctea e a galáxia de Andrômeda podem estar se movendo lentamente uma em direção à outra, mas se elas podem colidir em muitos bilhões de anos ainda não está claro. O estudo dos filamentos de matéria escura conectando as duas galáxias pode fornecer informações importantes sobre seu futuro.

“Como a matéria escura domina a dinâmica do universo, ela basicamente determina nosso destino”, disse Jeong. “Portanto, podemos pedir a um computador para evoluir o mapa por bilhões de anos para ver o que acontecerá no universo local. E podemos evoluir o modelo de volta no tempo para compreender a história de nossa vizinhança cósmica.”

Os pesquisadores acreditam que podem melhorar a precisão de seu mapa adicionando mais galáxias. Pesquisas astronômicas planejadas, usando, por exemplo, o Telescópio Espacial James Webb, poderiam permitir que eles adicionassem galáxias fracas ou pequenas que ainda não foram observadas e galáxias que estão mais distantes.

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