Forskare har avkodat svaga förvrängningar i mönstren av universums tidigaste ljus för att kartlägga enorma rörliknande strukturer som är osynliga för våra ögon – kända som filament – ​​som fungerar som motorvägar för att leverera materia till täta nav som galaxhopar.

Det internationella vetenskapsteamet, som inkluderade forskare från Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley, analyserade data från tidigare himmelundersökningar med hjälp av sofistikerad bildigenkänningsteknik för att ta reda på de gravitationsbaserade effekterna som identifierar formerna på dessa filament. De använde också modeller och teorier om filamenten för att vägleda och tolka deras analys.

Publicerad 9 april i tidskriften Natur Astronomi , den detaljerade utforskningen av filament kommer att hjälpa forskare att bättre förstå bildandet och utvecklingen av det kosmiska nätet – den storskaliga strukturen av materia i universum – inklusive den mystiska, osynliga saker som kallas mörk materia som utgör cirka 85 procent av universums totala massa.

Mörk materia utgör filamenten-som forskare lärt sig vanligtvis sträcker sig och böjer sig över hundratals miljoner ljusår-och de så kallade glorierna som värdkluster av galaxer matas av det universella filamentnätverket. Fler studier av dessa filament kan ge nya insikter om mörk energi, ett annat mysterium i universum som driver dess accelererande expansion.

Filamentegenskaper kan också sätta gravitationsteorier på prov, inklusive Einsteins allmänna relativitetsteori, och ge viktiga ledtrådar för att lösa ett uppenbart felmatchning i mängden synlig materia som förutses existera i universum - det "saknade baryonproblemet".

"Vanligtvis studerar forskare inte dessa filament direkt - de tittar på galaxer i observationer, sa Shirley Ho, en senior vetenskapsman vid Berkeley Lab och Cooper-Siegel docent i fysik vid Carnegie Mellon University som ledde studien. "Vi använde samma metoder för att hitta filamenten som Yahoo och Google använder för bildigenkänning, som att känna igen namnen på gatuskyltar eller hitta katter på fotografier."

Studien använde data från Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, eller BOSS, en jordbaserad himmelundersökning som fångade ljus från cirka 1,5 miljoner galaxer för att studera universums expansion och den mönstrade fördelningen av materia i universum som sätts igång av spridning av ljudvågor, eller "baryoniska akustiska svängningar, " porlande i det tidiga universum.

BOSS-undersökningsteamet, som innehöll Berkeley Lab-forskare i nyckelroller, producerade en katalog över troliga filamentstrukturer som kopplade samman kluster av materia som forskare hämtade från i den senaste studien.

Forskare förlitade sig också på exakta, rymdbaserade mätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrunden, eller CMB, som är den nästan enhetliga kvarlevansignalen från universums första ljus. Även om denna ljussignatur är väldigt lik över hela universum, det finns regelbundna fluktuationer som har kartlagts i tidigare undersökningar.

I den senaste studien, forskare fokuserade på mönstrade fluktuationer i CMB. De använde sofistikerade datoralgoritmer för att söka efter avtrycken av filament från gravitationsbaserade förvrängningar i CMB, känd som svaga linseffekter, som orsakas av CMB-ljuset som passerar genom materia.

Eftersom galaxer lever i de tätaste områdena i universum, den svaga linssignalen från avböjningen av CMB-ljus är starkast från dessa delar. Mörk materia finns i glororna runt dessa galaxer, och var också känt för att spridas från de tätare områdena i filament.

"Vi visste att dessa filament också skulle orsaka en avböjning av CMB och skulle också producera en mätbar svag gravitationslinssignal, sa Siyu He, studiens huvudförfattare som är Ph.D. forskare från Carnegie Mellon University – hon är nu på Berkeley Lab och är också knuten till UC Berkeley. Forskargruppen använde statistiska tekniker för att identifiera och jämföra "ryggarna, " eller punkter med högre densitet som teorier informerade dem om skulle peka på närvaron av filament.

"Vi försökte inte bara 'koppla ihop prickarna' – vi försökte hitta dessa åsar i tätheten, de lokala maxpunkterna i densitet, " sa hon. De kontrollerade sina fynd med andra filament- och galaxklusterdata, och med "hånar, " eller simulerade filament baserat på observationer och teorier. Teamet använde stora kosmologiska simuleringar genererade vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), till exempel, för att kontrollera om det finns fel i deras mätningar.

Filamenten och deras kopplingar kan ändra form och kopplingar över tidsskalor på hundratals miljoner år. De konkurrerande krafterna från tyngdkraften och universums expansion kan förkorta eller förlänga filamenten.

"Trådar är denna integrerade del av det kosmiska nätet, även om det är oklart vad som är förhållandet mellan den underliggande mörka materien och filamenten, "och det var en primär motivation för studien, sa Simone Ferraro, en av studiens författare som är en Miller-postdoktor vid UC Berkeleys Center for Cosmological Physics.

Nya data från befintliga experiment, och nästa generations himmelundersökningar som Berkeley Lab-ledda Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) som nu är under uppbyggnad vid Kitt Peak National Observatory i Arizona borde ge ännu mer detaljerad information om dessa filament, han lade till.

Forskare noterade att detta viktiga steg i att leta efter formerna och placeringen av filamenten också borde vara användbart för fokuserade studier som försöker identifiera vilka typer av gaser som finns i filamenten, temperaturen på dessa gaser, och mekanismerna för hur partiklar kommer in och rör sig i filamenten. Studien gjorde det också möjligt för dem att bestämma längden på filamenten.

Siyu Han sade att lösning av glödtrådsstrukturen också kan ge ledtrådar till egenskaperna och innehållet i hålrummen i rymden runt filamenten, och "hjälp med andra teorier som är modifieringar av allmän relativitet, " Hon sa.

Ho tillade, "Vi kan också kanske använda dessa filament för att begränsa mörk energi - deras längd och bredd kan säga oss något om mörk energis parametrar."