Od té doby, co byla v 70. letech 20. století poprvé teoretizována, se astrofyzikové a kosmologové snažili vyřešit záhadu, která je Temná hmota . Předpokládá se, že tato neviditelná hmota tvoří 85 % hmoty ve vesmíru a představuje 27 % jeho hustoty hmoty a energie. Ale více než to, poskytuje také rozsáhlou kosterní strukturu vesmíru (kosmickou síť), která svým gravitačním vlivem určuje pohyby galaxií a materiálu.
Bohužel tajemná povaha temné hmoty znamená, že ji astronomové nemohou přímo studovat, a tak jim znemožnila měřit její rozložení. Je však možné usuzovat na jeho rozložení na základě pozorovatelného vlivu jeho gravitace na místní galaxie a další nebeské objekty. Pomocí nejmodernějších technik strojového učení se týmu korejsko-amerických astrofyziků podařilo vytvořit dosud nejdetailnější mapu místního vesmíru, která ukazuje, co „ vesmírná síť ' vypadá jako.
Tým odpovědný za tento průlom vedl vedoucí výzkumník Sungwook E. Hong z University of Soul a Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). Připojil se k němu docent Donghui Jeong of the Ústav pro gravitaci a kosmos (IGS) z Penn State a výzkumníci Ho Seong Hwang a Juhan Kim ze Soulské národní univerzity a Korejský institut pro pokročilé studium (KIAS), resp.
V minulosti předchozí pokusy zmapovat vesmírnou síť začaly modelem raného vesmíru a poté simulovaly jeho vývoj v průběhu miliard let. Tato metoda se však setkala s omezeným úspěchem kvůli obrovskému množství potřebného výpočetního výkonu. S odlišným přístupem tým vytvořil model, který používal strojové učení k předpovídání distribuce temné hmoty na základě známé distribuce a pohybu galaxií.
Tým postavil a vycvičil tento model s pomocí Illustrious-TNG , kosmologický projekt, který provedl několik simulací kompletních s galaxiemi, plyny, jinými formami baryonové (aka. viditelné) hmoty, stejně jako temnou hmotou. Tým vybral simulované galaxie z Illustris-TNG, které byly srovnatelné s Mléčnou dráhou, a identifikoval vlastnosti, které jsou potřebné k předpovědi distribuce temné hmoty. Řekl Jeong:
„Ironií je, že je snazší studovat distribuci temné hmoty mnohem dále, protože odráží velmi vzdálenou minulost, která je mnohem méně složitá. Postupem času, jak rostla rozsáhlá struktura vesmíru, rostla i složitost vesmíru, takže je ze své podstaty těžší provádět měření temné hmoty lokálně.“
„Když dostane model určité informace, může v podstatě vyplnit mezery na základě toho, na co se díval dříve. Mapa z našich modelů dokonale neodpovídá simulačním datům, ale stále můžeme rekonstruovat velmi podrobné struktury. Zjistili jsme, že zahrnutí pohybu galaxií – jejich radiálních zvláštních rychlostí – spolu s jejich distribucí drasticky zvýšilo kvalitu mapy a umožnilo nám vidět tyto detaily.
Mapa distribuce temné hmoty v místním vesmíru pomocí modelu k odvození její polohy kvůli jejímu gravitačnímu vlivu na galaxie. Kredit: Hong et. al., Astrophysical Journal
Dalším krokem bylo použití tohoto modelu na skutečná data z místního vesmíru, která tým získal z Cosmicflow-3 databáze. Tento astronomický katalog obsahuje komplexní údaje o rozložení a pohybu více než 17 000 galaxií v oblasti 650 milionů světelných let (200 megaparseků) kolem Mléčné dráhy. Výsledná mapa úspěšně reprodukovala známé významné struktury v místním vesmíru.
Mezi ně patřily „Místní list, oblast vesmíru, která obsahuje Mléčnou dráhu, Andromedu (a další členy „místní skupiny“) a galaxie Kupy v Panně. Další významnou strukturou byla „Místní prázdnota“, relativně prázdný prostor vedle místní skupiny. Kromě toho mapa identifikovala několik nových struktur, jako jsou menší vláknité struktury, které fungují jako skrytá spojení mezi galaxiemi.
Jak můžete vidět z průřezů mapy (uvedeno výše), velké koncentrace svítící hmoty jsou označeny červeně, zatímco převážně prázdné úseky jsou označeny modře. Galaxie jsou označeny jako malé černé tečky, Mléčná dráha je označena černým X uprostřed a šipky představují pohyb těchto rozsáhlých struktur. Tato spojovací vlákna, která vypadají jako tenké žluté provázky, vyžadují následné pozorování, abychom se o těchto dříve neznámých rysech dozvěděli více. Řekl Jeong:
„Míst místní mapu kosmické sítě otevírá novou kapitolu kosmologického studia. Můžeme studovat, jak distribuce temné hmoty souvisí s dalšími emisními daty, což nám pomůže pochopit podstatu temné hmoty. A můžeme přímo studovat tyto vláknité struktury, tyto skryté mosty mezi galaxiemi.“
„Protože temná hmota dominuje dynamice vesmíru, v podstatě určuje náš osud. Můžeme tedy požádat počítač, aby vyvíjel mapu po miliardy let, abychom viděli, co se stane v místním vesmíru. A můžeme model vyvinout zpět v čase, abychom porozuměli historii našeho kosmického sousedství.“
Simulace Illustris, ukazující rozložení temné hmoty na 350 milionů krát 300 000 světelných let. Galaxie jsou zobrazeny jako bílé tečky s vysokou hustotou (vlevo) a jako normální baryonová hmota (vpravo). Kredit: Markus Haider/Illustris
Vědci například už nějakou dobu vědí, že galaxie Mléčná dráha a Andromeda se k sobě pomalu přibližují. Zda se však nakonec za odhadovaných 4,5 miliardy let srazí a vytvoří supergalaxii (nekreativně přezdívanou Milkomeda), zůstává nejasné. Studiem vláken temné hmoty, která spojují naše dvě galaxie, by astrofyzici mohli získat cenné poznatky o jejich budoucnosti.
Hong a jeho kolegové také plánují zlepšit přesnost své mapy přidáním dalších galaxií. To bude možné díky misím nové generace, jako je James Webb Space Telescope (JWST), který konečně odstartuje do vesmíru 31.Svatý, 2021. Pomocí své pokročilé sady přístrojů bude JWST studovat vesmír ve viditelných dlouhých vlnových délkách a blízkých infračervených až středních infračervených vlnových délkách.
To astronomům umožní identifikovat galaxie, které jsou menší, slabší a nacházejí se dále od naší sluneční soustavy. Zlepšení ve výpočetní technice a strojovém učení také povedou k větším a lepším simulacím, které dokážou pokrýt více galaxií v delším časovém úseku. Podobně mise jako ESA Observatoř Gaia poskytují přesnější údaje týkající se vlastních pohybů a rychlostí galaxií (astrometrie).
Je to plánovaný nástupce, ESA Euklidovská observatoř , má startovat v roce 2022 a bude shromažďovat data o dvou miliardách galaxií na ploše 10 miliard světelných let. To bude použito k vytvoření dosud nejpodrobnější 3D mapy místní oblasti vesmíru, od které se očekává, že odhalí zásadní vodítka o roli temné hmoty (a temné energie) v kosmickém vývoji. Tyto mapy poskytnou astronomům prostředek pro srovnání, který jim dá vědět, že jejich fyzikální modely jsou správně za peníze.
Studie, která popisuje jejich zjištění, “ Odhalení místní kosmické sítě z galaxií pomocí hlubokého učení ,“ nedávno se objevil vThe Astrophysical Journal. Tento výzkum byl možný s podporou Korejské národní výzkumné nadace, financování z korejského ministerstva školství, korejského ministerstva vědy, americké Národní vědecké nadace (NSF), programu NASA Astrophysics Theory a centra KIAS. pro pokročilé výpočty.
Další čtení: PSU , The Astrophysical Journal
