En ny karta över mörk materia i lokaluniversum avslöjar flera tidigare oupptäckta filamentstrukturer som förbinder galaxer. Kartan, utvecklad med hjälp av maskininlärning av ett internationellt team inklusive en astrofysiker från Penn State, skulle kunna möjliggöra studier om den mörka materiens natur såväl som om vårt lokaluniversums historia och framtid.

Mörk materia är ett svårfångat ämne som utgör 80 % av universum. Det ger också skelettet för vad kosmologer kallar det kosmiska nätet, universums storskaliga struktur som, på grund av dess gravitationsinflytande, dikterar rörelsen hos galaxer och annat kosmiskt material. Dock, fördelningen av lokal mörk materia är för närvarande okänd eftersom den inte kan mätas direkt. Forskare måste istället sluta sig till dess fördelning baserat på dess gravitationsinflytande på andra objekt i universum, som galaxer.

"Ironiskt, det är lättare att studera distributionen av mörk materia mycket längre bort eftersom den speglar det mycket avlägsna förflutna, vilket är mycket mindre komplicerat, sa Donghui Jeong, docent i astronomi och astrofysik vid Penn State och en motsvarande författare till studien. "Över tid, allt eftersom universums storskaliga struktur har vuxit, universums komplexitet har ökat, så det är i sig svårare att göra mätningar om mörk materia lokalt."

Tidigare försök att kartlägga den kosmiska webben började med en modell av det tidiga universum och simulerade sedan modellens utveckling under miljarder år. Dock, denna metod är beräkningsintensiv och har hittills inte kunnat producera tillräckligt detaljerade resultat för att se det lokala universum. I den nya studien, forskarna tog ett helt annat tillvägagångssätt, använder maskininlärning för att bygga en modell som använder information om galaxernas fördelning och rörelse för att förutsäga distributionen av mörk materia.

Forskarna byggde och tränade sin modell med hjälp av en stor uppsättning galaxsimuleringar, kallas Illustris-TNG, som inkluderar galaxer, gaser, annat synligt ämne, såväl som mörk materia. Teamet valde specifikt ut simulerade galaxer jämförbara med de i Vintergatan och identifierade till slut vilka egenskaper hos galaxer som behövs för att förutsäga distributionen av mörk materia.

"När viss information ges, modellen kan i huvudsak fylla i luckorna baserat på vad den har tittat på tidigare, " sa Jeong. "Kartan från våra modeller passar inte perfekt in i simuleringsdata, men vi kan fortfarande rekonstruera mycket detaljerade strukturer. Vi fann att inkludering av galaxernas rörelse – deras radiella speciella hastigheter – utöver deras fördelning drastiskt förbättrade kvaliteten på kartan och gjorde det möjligt för oss att se dessa detaljer."

Forskargruppen tillämpade sedan sin modell på verkliga data från lokaluniversumet från Cosmicflow-3 galaxkatalogen. Katalogen innehåller omfattande data om fördelningen och rörelsen av mer än 17 tusen galaxer i närheten av Vintergatan - inom 200 megaparsecs. Den resulterande kartan över den lokala kosmiska webben publiceras i en tidning som visas online 26 maj i Astrofysisk tidskrift .

Kartan återgav successivt kända framträdande strukturer i lokaluniversumet, inklusive det "lokala arket" - en region i rymden som innehåller Vintergatan, närliggande galaxer i den 'lokala gruppen, ' och galaxer i Jungfruklustret - och det "lokala tomrummet" - ett relativt tomt område i rymden bredvid den lokala gruppen. Dessutom, den identifierade flera nya strukturer som kräver ytterligare utredning, inklusive mindre filamentstrukturer som förbinder galaxer.

"Att ha en lokal karta över den kosmiska webben öppnar upp ett nytt kapitel av kosmologisk studie, " sa Jeong. "Vi kan studera hur fördelningen av mörk materia relaterar till andra utsläppsdata, som kommer att hjälpa oss att förstå naturen av mörk materia. Och vi kan studera dessa filamentära strukturer direkt, dessa dolda broar mellan galaxer."

Till exempel, det har föreslagits att Vintergatan och Andromeda-galaxerna långsamt rör sig mot varandra, men om de kan kollidera om många miljarder år är fortfarande oklart. Att studera filamenten av mörk materia som förbinder de två galaxerna kan ge viktiga insikter om deras framtid.

"Eftersom mörk materia dominerar dynamiken i universum, det bestämmer i princip vårt öde, " sa Jeong. "Så vi kan be en dator att utveckla kartan i miljarder år för att se vad som kommer att hända i det lokala universum. Och vi kan utveckla modellen bakåt i tiden för att förstå historien om vårt kosmiska grannskap."

Forskarna tror att de kan förbättra noggrannheten på sin karta genom att lägga till fler galaxer. Planerade astronomiska undersökningar, till exempel med James Web Space Telescope, skulle kunna tillåta dem att lägga till svaga eller små galaxer som ännu inte har observerats och galaxer som är längre bort.