Simulaciones precisas brindan una perspectiva sobre la estructura del Universo
Por Lee Sandberg, Instituto de Estudios Avanzados
14 de marzo de 2023.
Visualización de las estructuras más grandes del Universo del Sloan Digital Sky Survey. Crédito: NASA/Universidad de Chicago y Adler Planetarium and Astronomy Museum.
El Universo está salpicado de galaxias que, a gran escala, exhiben un patrón filamentoso, denominado red cósmica. Esta distribución heterogénea de material cósmico es, en cierto modo, como arándanos en un panecillo donde el material se agrupa en ciertas áreas pero puede faltar en otras.
Basándose en una serie de simulaciones, los investigadores han comenzado a probar la estructura heterogénea del Universo al tratar la distribución de galaxias como una colección de puntos, como las partículas individuales de materia que componen un material, en lugar de una distribución continua. Esta técnica ha permitido la aplicación de las matemáticas desarrolladas para la ciencia de los materiales para cuantificar el desorden relativo del Universo, lo que permite una mejor comprensión de su estructura fundamental.
"Lo que encontramos fue que la distribución de las galaxias en el Universo es bastante diferente de las propiedades físicas de los materiales convencionales, que tienen su propia firma única", explicó Oliver Philcox, coautor del estudio.
Este trabajo, ahora publicado en Physical Review X, fue realizado por Salvatore Torquato, miembro frecuente y visitante del Instituto de Estudios Avanzados y profesor Lewis Bernard de Ciencias Naturales en los departamentos de química y física de la Universidad de Princeton; y Oliver Philcox un estudiante de doctorado visitante en el Instituto desde septiembre de 2020 hasta agosto de 2022, ahora Junior Fellow en la Simons Society of Fellows, alojada en la Universidad de Columbia.
La pareja analizó datos de simulación públicos generados por la Universidad de Princeton y el Instituto Flatiron. Cada una de las 1.000 simulaciones consta de mil millones de "partículas" de materia oscura, cuyos cúmulos, formados por evolución gravitatoria, sirven como representación de las galaxias.
Uno de los principales resultados del artículo se refiere a las correlaciones de pares de galaxias que están conectadas topológicamente entre sí mediante la función de conexión de pares. Con base en esto, y en la variedad de otros descriptores que surgen en la teoría de los medios heterogéneos, el equipo de investigación demostró que en las escalas más grandes (del orden de varios cientos de megaparsecs), el Universo se aproxima a la hiperuniformidad, mientras que en escalas más pequeñas (hasta 10 megaparsecs) se vuelve casi antihiperuniforme y fuertemente no homogéneo.
"El cambio percibido entre el orden y el desorden depende en gran medida de la escala", afirmó Torquato. "La técnica puntillista de Georges Seurat en el cuadro Un domingo en la Grande Jatte produce un efecto visual similar; la obra parece desordenada cuando se ve de cerca y muy ordenada desde lejos. En términos del Universo, el grado de orden y desorden es más sutil, como con una prueba de manchas de tinta de Rorschach que se puede interpretar de infinitas maneras".
Las herramientas estadísticas, específicamente las distribuciones del vecino más cercano, los diagnósticos de agrupamiento, las distribuciones de Poisson, los umbrales de filtración y la función de conexión de pares, permitieron a los investigadores desarrollar un marco consistente y objetivo para medir el orden. Por lo tanto, sus hallazgos, aunque se realizaron en un contexto cosmológico, se traducen en una serie de otros sistemas físicos dinámicos.
Este trabajo interdisciplinario, que combina las técnicas de la cosmología y la física de la materia condensada, tiene implicaciones futuras para ambos campos. Más allá de la distribución de las galaxias, muchas otras características del Universo se pueden explorar con estas herramientas, incluidos los vacíos cósmicos y las burbujas de hidrógeno ionizado que se formaron durante la fase de reionización del Universo.
Por el contrario, los nuevos fenómenos descubiertos sobre el Universo también pueden proporcionar información sobre varios sistemas materiales en la Tierra. El equipo reconoce que se necesitará más trabajo antes de que estas técnicas puedan aplicarse a datos reales, pero este trabajo proporciona una sólida prueba de concepto con un potencial significativo.
Fuente:
https://phys.org/news/2023-03-simulations-perspective-universe.html