Οι κρυμμένες πληροφορίες στους χάρτες των γαλαξιών που βρίσκονται διασκορπισμένοι σε όλο το Σύμπαν θα μπορούσαν σύντομα να βγουν στην επιφάνεια, χάρη σε έναν νέο τρόπο εξέτασης των δεδομένων που διατηρεί την τρισδιάστατη φύση αυτών των χαρτών.
Οι κρυμμένες πληροφορίες θα μπορούσαν να είναι ζωτικής σημασίας για να μας πουν αν το καθιερωμένο μοντέλο της Κοσμολογίας είναι σωστό, ή αν υπάρχουν αποκλίσεις από αυτό που θα μπορούσαν να επηρεάσουν την κατανόηση του «Σκοτεινού Σύμπαντος», το οποίο περιλαμβάνει τη Σκοτεινή Ύλη και τη Σκοτεινή Ενέργεια.
Η έρευνα, με επικεφαλής τον αστρονόμο Minh Nguyen του Πανεπιστημίου του Τόκιο, χρησιμοποιεί ισχυρούς αλγορίθμους υπολογιστών που είναι σε θέση να συγκρίνουν τις σχετικές θέσεις των γαλαξιών σε έναν τρισδιάστατο χάρτη του Σύμπαντος με λεπτομερείς προσομοιώσεις που απεικονίζουν την ανάπτυξη και τη συμπεριφορά των γαλαξιών και των φωτοστέφανων της Σκοτεινής Ύλης.
Παλαιότερα, οι αστρονόμοι πραγματοποιούσαν έρευνες για τους γαλαξίες λαμβάνοντας εικόνες από το βαθύ Διάστημα σε φωτογραφικές πλάκες και στη συνέχεια μετρούσαν απευθείας στις πλάκες, σε δύο διαστάσεις, τη χωρική κατανομή των γαλαξιών. Προσπαθούσαν να απαντήσουν σε ερωτήματα όπως «Πόσο κοντά είναι αυτοί οι γαλαξίες στους γείτονες τους;» και «Πόσο καλά ευθυγραμμισμένοι είναι μεταξύ τους;».
Διαβάστε επίσης
Στη σύγχρονη εποχή, μια τρίτη διάσταση μπορεί να προστεθεί σε αυτές τις έρευνες. Όλα αυτά χάρη στη φασματοσκοπία πολλαπλών αντικειμένων, η οποία μετρά την ερυθρομετατόπιση αυτών των γαλαξιών, και συνεπώς την απόστασή τους σε ένα διαστελλόμενο Σύμπαν, σε έναν παρατηρούμενο όγκο χώρου. Με τέτοιες μετρήσεις γαλαξιακών αποστάσεων, είναι στην πραγματικότητα δυνατό να δημιουργηθεί ένας τρισδιάστατος χάρτης του Σύμπαντος.
Ωστόσο, η υπολογιστική ισχύς που απαιτείται για τη στατιστική ανάλυση αυτών των τρισδιάστατων δεδομένων γαλαξιών είναι τερατώδης, και έτσι, για λόγους αποτελεσματικότητας, τα τρισδιάστατα δεδομένα παραδοσιακά συμπιέζονται σε αυτό που ονομάζεται «συναρτήσεις συσχέτισης n-σημείων», με το «n» να αναφέρεται σε έναν αριθμό (συνήθως δύο ή τρία σημεία δεδομένων, όπως αναφέρθηκε παραπάνω).
Διαβάστε επίσης
Όλα αυτά είναι πολύ καλά στις περισσότερες περιπτώσεις, αλλά υπάρχει επίσης μια ενοχλητική υποψία ότι η συμπίεση και η ανάλυση των δεδομένων με αυτόν τον τρόπο έχει ως αποτέλεσμα να χάνονται – ή να αποκρύπτονται – πληροφορίες. Και τώρα, χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται «συμπερασμός σε επίπεδο πεδίου» (FLI) σε συνδυασμό με μια σειρά αλγορίθμων σε ένα πλαίσιο που ονομάζεται «LEFTfield» και μοντελοποιεί την ανάπτυξη και την ομαδοποίηση των γαλαξιών από το πρώιμο Σύμπαν μέχρι σήμερα, η ομάδα του Nguyen έδειξε ότι όντως αποκρύπτονται ζωτικές πληροφορίες από τη συμπίεση.
«Στην εξαγωγή συμπερασμάτων σε επίπεδο πεδίου, εργαζόμαστε απευθείας με έναν τρισδιάστατο χάρτη γαλαξιών», δήλωσε ο Nguyen. Ο χάρτης αναπαρίσταται στον υπολογιστή με voxels, τα οποία είναι σαν τρισδιάστατα pixels σε ένα δικτυωτό πλέγμα. Στη συνέχεια, το FLI απεικονίζει σε αυτό το πλέγμα voxel αυτό που προβλέπει ότι η τρισδιάστατη δομή των γαλαξιών και της υποκείμενης Σκοτεινής Ύλης θα πρέπει να μοιάζει σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο της Κοσμολογίας (το οποίο περιγράφει πώς εξελίσσεται η δομή μεγάλης κλίμακας στο σύμπαν υπό την επίδραση της Σκοτεινής Ύλης και της Σκοτεινής Ενέργειας).
«Με τη βοήθεια ισχυρών υπολογιστικών αλγορίθμων, το FLI στοχεύει να ταιριάξει αυτές τις προβλέψεις με την παρατηρούμενη θέση του γαλαξία σε κάθε σημείο του τρισδιάστατου πλέγματος», δήλωσε ο Nguyen. «Ευτυχώς, υπάρχουν σύγχρονοι υπολογιστικοί αλγόριθμοι που μπορούν να επιταχύνουν την εξερεύνηση ή τη δειγματοληψία αυτού του τεράστιου χώρου παραμέτρων».
Διαβάστε επίσης
Οι συναρτήσεις Ν-σημείων είναι δημοφιλείς επειδή επιταχύνουν τον χρόνο επεξεργασίας και είναι πιο αποδοτικές στη χρήση, αλλά οι σημερινοί αλγόριθμοι είναι αρκετά εξελιγμένοι ώστε να γεφυρώσουν το χάσμα και να επιτρέψουν την ανάλυση όλων των μη συμπιεσμένων δεδομένων.
Ο Nguyen και οι συνάδελφοί του, οι Fabian Schmidt, Beatriz Tucci, Martin Reinecke και Andrija Kostić του Ινστιτούτου Max Planck για την Αστροφυσική στη Γερμανία, δοκίμασαν αρχικά το FLI σε προσομοιωμένους χάρτες φωτοστέφανων της Σκοτεινής Ύλης, τα οποία είναι τεράστια νέφη που περιβάλλουν γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών. Φανταστείτε τα φωτοστέφανα ως το ικρίωμα μέσα στο οποίο η ορατή ύλη συναρμολογείται σε γαλαξίες. Πιο πρόσφατα, στο πλαίσιο της «Beyond Two-Point Collaboration», οι Nguyen και Schmidt εφάρμοσαν το FLI και σε προσομοιωμένους γαλαξίες, με τα αποτελέσματα να δημοσιεύονται σύντομα στη σειρά The Astrophysical Journal Supplement Series.
Τα αποτελέσματά τους δείχνουν μια βελτίωση της λεπτομέρειας και της ακρίβειας της ανάλυσης FLI κατά τρεις έως πέντε φορές σε σύγκριση με τις συναρτήσεις συσχέτισης δύο και τριών σημείων. Αυτή η επιπλέον λεπτομέρεια δείχνει ότι υπάρχουν πληροφορίες που κρύβονται με τον παλιό τρόπο λειτουργίας.
Και τι μπορούν να μας πουν αυτές οι κρυμμένες μέχρι σήμερα πληροφορίες; Οι δομές μεγάλης κλίμακας στο Σύμπαν – οι μεγάλες αλυσίδες των σμηνών γαλαξιών που καλύπτουν το Σύμπαν – μπορούν να ανιχνευθούν στις κβαντικές διακυμάνσεις της μεγάλης έκρηξης που οδήγησαν σε υπερπυκνότητες που αναπτύχθηκαν υπό τη βαρύτητα σε γαλαξίες. Το FLI θα μπορούσε να αποκαλύψει ασυμμετρίες σε αυτές τις διακυμάνσεις που έχουν παγώσει στο χρόνο με τη μορφή της κατανομής των γαλαξιών, ή πώς οι ανωμαλίες στη βαρυτική εξέλιξη των γαλαξιών στο πιο πρόσφατο Σύμπαν θα μπορούσαν να αποκαλύψουν λεπτομέρειες σχετικά με τη Σκοτεινή Ύλη, ή στην πραγματικότητα την ίδια τη βαρύτητα.
Διαβάστε επίσης
Επιπλέον, «έχοντας πρόσβαση σε ολόκληρο το υποκείμενο πεδίο της Σκοτεινής Ύλης που σχετίζεται με το παρατηρούμενο πεδίο των γαλαξιών, θα μπορούσαμε να είμαστε πιο ευαίσθητοι σε τοπικές επιδράσεις», δήλωσε ο Nguyen. «Τέτοιες τοπικές επιδράσεις είναι κατά μέσο όρο υπερβατές στις αναλύσεις που χρησιμοποιούν συναρτήσεις n-σημείων».
Το επόμενο βήμα είναι να δοκιμαστεί το FLI με πραγματικά δεδομένα από το φασματοσκοπικό όργανο σκοτεινής ενέργειας στο Εθνικό Αστεροσκοπείο Kitt Peak, τον φασματογράφο Subaru Prime Focus Spectrograph και την αποστολή Euclid του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος, και στο μέλλον το παρατηρητήριο Vera C. Rubin που αναμένεται να δει το πρώτο φως αργότερα φέτος στη Χιλή, καθώς και το διαστημικό τηλεσκόπιο Nancy Grace Roman που πρόκειται να εκτοξευθεί το 2027. Όλα θα διεξάγουν έρευνες ερυθράς μετατόπισης των γαλαξιών για τη συγκρότηση τεράστιων τρισδιάστατων χαρτών της γαλαξιακής κατανομής.
Όσον αφορά το Σκοτεινό Σύμπαν και τον τρόπο με τον οποίο επηρέασε την ανάπτυξη των γαλαξιών σε δομές μεγάλης κλίμακας σε όλο το Σύμπαν, υπάρχουν ακόμα πολλά για τα οποία είμαστε… στο σκοτάδι. Αλλά με το FLI, είναι δυνατόν να περιγράψουμε την κατανομή της Σκοτεινής Ύλης που σχετίζεται με τους γαλαξίες στο χάρτη.
«Αυτό είναι πολύ ωραίο, δεδομένου ότι δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε άμεσα τη Σκοτεινή Ύλη, και συμπληρώνει τους χάρτες Σκοτεινής Ύλης που κατασκευάζονται από τον βαρυτικό φακό», δήλωσε ο Fabian Schmidt.
Τελικά, η χαρτογράφηση γαλαξιών δεν αφορά μόνο την εικονογραφική περιγραφή του Σύμπαντος, αλλά θα μπορούσε τελικά να χαράξει το δρόμο προς αποκαλύψεις σχετικά με την προέλευση όλων όσων βλέπουμε στο Σύμπαν.
[via]
