Una visualización de las estructuras más grandes del universo del Sloan Digital Sky Survey. Crédito NASA/Universidad de Chicago y Museo de Astronomía y Planetario Adler
El universo está lleno 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 pastel donde el material se acumula en ciertas áreas pero puede faltar en otras.
Sobre la base de una serie de simulaciones, los investigadores comenzaron a probar la estructura heterogénea del universo al tratar la distribución de las galaxias como conjuntos de puntos, como partículas individuales de materia que componen la materia, en lugar de como una distribución continua. Esta técnica permitió aplicar las matemáticas desarrolladas para la ciencia de los materiales para determinar el desorden relativo del universo, lo que permitió una mejor comprensión de su estructura básica.
«Lo que encontramos es que la distribución de las galaxias en el universo es muy diferente de las propiedades físicas de los materiales convencionales, que tienen su propia firma única», explicó Oliver Vilkox, coautor del estudio.
Este trabajo, ahora publicado en Physical Review X, fue realizado por Salvatore Torquato, miembro permanente y miembro 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 Vilcox Visiting Ph.D. Estudiante del Instituto desde septiembre de 2020 hasta agosto de 2022 y ahora es Junior Fellow de la Simmons Society of Fellows, organizada por 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 1000 simulaciones consta de mil millones de «partículas» de materia oscura, cuyos cúmulos se formaron por evolución gravitatoria y actúan como sustitutos de las galaxias.
Crédito del video: NASA/Universidad de Chicago y el Planetario y Museo de Astronomía Adler
Uno de los principales hallazgos del artículo se refiere a las correlaciones entre pares de galaxias que están topológicamente relacionadas entre sí a través de la función de correlación por pares. Basado en esto, y en la multitud de otros descriptores que han surgido en la teoría de los medios heterogéneos, el equipo de investigación ha demostrado que en escalas más grandes (del orden de varios cientos de megaparsecs), el universo se aproxima a la hiperuniformidad, mientras que en escalas más pequeñas (hasta a 10 megaparsecs) se vuelve casi pentagonal.La forma es muy heterogénea.
Torcato afirma que el «cambio observable entre el orden y el caos depende en gran medida de la escala». El estilo puntillista de Georges Seurat en el cuadro Un domingo en la Grande Jatte produce un efecto visual similar, la obra parece desordenada de cerca y muy ordenada de lejos. En términos de cosmos, el grado de orden y desorden es más sutil, al igual que el caso de la prueba de la mancha de tinta de Rorschach, que se puede interpretar de infinidad de formas”.
Las herramientas estadísticas, a saber, las distribuciones de vecinos más cercanos, los diagnósticos de conglomerados, las distribuciones de Poisson, los umbrales de nominación y la función de correlación por pares, han permitido a los investigadores desarrollar un marco consistente y objetivo para medir el rango. Por lo tanto, sus hallazgos, aunque se realizan en un contexto cosmológico, se traducen en una serie de otros sistemas dinámicos y físicos.
Este trabajo interdisciplinario, que combina las técnicas de la cosmología y la física de la materia condensada, tiene implicaciones futuras para ambos campos. Además de la distribución de las galaxias, con estas herramientas se pueden explorar muchas otras características del universo, incluidos los vacíos cósmicos y las burbujas de hidrógeno ionizado que se forman durante la fase de reionización del universo. Por el contrario, los nuevos fenómenos que se han descubierto sobre el universo también pueden proporcionar información sobre los diferentes sistemas de materia en la Tierra. El equipo reconoce que se necesita más trabajo antes de que estas técnicas puedan aplicarse a datos reales, pero este trabajo proporciona una prueba de concepto sólida con un gran potencial.
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