Introduzione

Il comportamento di una delle creature più umili della natura sta aiutando gli astronomi a sondare le strutture più grandi dell’universo.

L’organismo monocellulare, noto come muffa melmosa (Physarum polycephalum), costruisce reti filamentose complesse in cerca di cibo, trovando percorsi quasi ottimali per collegare diverse posizoni. Nel plasmare l’universo, la gravità costruisce una vasta struttura a ragnatela con filamenti che legano insieme galassie e ammassi di galassie lungo ponti deboli lunghi centinaia di milioni di anni luce. C’è una strana somiglianza tra le due reti: una creata dall’evoluzione biologica e l’altra dalla forza primordiale della gravità.

L’articolo del team apparirà in The Astrophysical Journal Letters.

Rete cosmica

La rete cosmica è la spina dorsale su larga scala del cosmo, costituita principalmente dalla misteriosa sostanza, nota come materia oscura, e intrecciata con gas, su cui sono costruite le galassie. La materia oscura non può essere vista, ma costituisce la maggior parte del materiale dell’universo. 

L’esistenza di una struttura simile a una rete nell’universo è stata per la prima volta accennata nel Redshift Survey del 1985 condotto presso il Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian. Da quegli studi, la grande scala di questa struttura filamentosa è cresciuta nelle successive indagini del cielo. I filamenti formano i confini tra grandi vuoti nell’universo. Ma gli astronomi hanno avuto difficoltà a trovare questi filamenti sfuggenti, perché il gas è così debole che è difficile da rilevare.

Algoritmo e simulazioni

Ora un team di ricercatori si è rivolto alla muffa melmosa per aiutarli a costruire una mappa dei filamenti nell’universo locale (entro 500 milioni di anni luce dalla Terra) e trovare il gas al loro interno.

Hanno progettato un algoritmo informatico, ispirato al comportamento della muffa melmosa, testando in una simulazione al computer la crescita dei filamenti di materia oscura nell’universo. Un algoritmo informatico è simile a una ricetta che dice esattamente a un computer quali misure adottare per risolvere un problema.

I ricercatori hanno quindi applicato l’algoritmo della muffa melmosa ai dati contenenti le posizioni di 37.000 galassie mappate dallo Sloan Digital Sky Survey a distanze corrispondenti a 300 milioni di anni luce. L’algoritmo ha prodotto una mappa tridimensionale della struttura web cosmica sottostante.

Hanno quindi analizzato la luce ultravioletta di 350 quasar (a distanze molto più lontane di miliardi di anni luce) catalogata nell’archivio Hubble Spectroscopic Legacy Archive, che contiene i dati degli spettrografi dell’Hubble Space Telescope della NASA. Queste lontane torce cosmiche sono i brillanti nuclei alimentati da un buco nero delle galassie attive, la cui luce brilla attraverso lo spazio e attraverso la rete cosmica. 

Su quella luce era impressa la firma rivelatrice dell’assorbimento di idrogeno altrimenti non rilevato che il team ha analizzato in punti specifici lungo i filamenti. Queste posizioni target sono lontane dalle galassie ed hanno permesso al team di ricerca di collegare il gas alla struttura su larga scala dell’universo.

illustrazione viola di crescita della muffa della melma
Gli astronomi si sono fatti creativi nel tentativo di rintracciare la ragnatela cosmica inafferrabile, la spina dorsale su larga scala del cosmo. I ricercatori si sono rivolti alla muffa melmosa, un organismo monocellulare trovato sulla Terra, per aiutarli a costruire una mappa dei filamenti nell’universo locale (entro 500 milioni di anni luce dalla Terra) e trovare il gas al loro interno. I ricercatori hanno progettato un algoritmo informatico ispirato al comportamento dell’organismo e lo hanno applicato ai dati contenenti le posizioni di 37.000 galassie (“cibo” per la muffa della melma) mappate dallo Sloan Digital Sky Survey. L’algoritmo ha prodotto una mappa tridimensionale dell’intricata rete filamentosa della rete cosmica sottostante, la struttura viola nell’immagine. Le galassie sono rappresentate dai punti gialli in tre delle immagini dell’inserzione. Accanto a ciascuna istantanea della galassia c’è un’immagine delle galassie con i fili di collegamento della rete cosmica (viola) sovrapposti su di essi.Credits: NASA, ESA, J. Burchett e O. Elek (UC Santa Cruz)

È davvero affascinante il fatto che una delle forme di vita più semplici in realtà consenta di comprendere meglio le strutture su larga scala dell’universo“, ha affermato il ricercatore capo Joseph Burchett dell’Università della California (UC), Santa Cruz. “Usando la simulazione della muffa melmosa per trovare la posizione dei filamenti della rete cosmica, compresi quelli lontani dalle galassie, potremmo quindi utilizzare i dati di archivio del telescopio spaziale Hubble per rilevare e determinare la densità del gas freddo alla periferia di quelli filamenti invisibili. Gli scienziati hanno rilevato le firme di questo gas per diversi decenni e abbiamo dimostrato l’aspettativa teorica che questo gas comprenda la rete cosmica“.

L’indagine convalida ulteriormente la ricerca secondo cui regioni più dense di gas intergalattico sono organizzate in filamenti che il team ha scoperto si estende per oltre 10 milioni di anni luce dalle galassie. (Quella distanza è più di 100 volte il diametro della nostra galassia – la Via Lattea.)

Da dove nasce l’idea

I ricercatori si sono rivolti a simulazioni di muffe melmosa mentre stavano cercando un modo per visualizzare la connessione teorizzata tra la struttura del nastro cosmico e il gas freddo rilevato in precedenti studi spettroscopici di Hubble.

Quindi un membro del team, Oskar Elek, scienziato informatico dei media presso l’UC Santa Cruz, ha scoperto online il lavoro di Sage Jenson, un artista dei media con sede a Berlino. Tra le opere di Jenson c’erano affascinanti visualizzazioni artistiche che mostravano la crescita di una rete di strutture alla ricerca di cibo simili a tentacoli di muffa melmosa. L’arte di Jenson si basava su ricerche scientifiche esterne, che descrivevano in dettaglio un algoritmo per simulare la crescita della muffa melmosa.

Il team di ricerca ha notato una sorprendente somiglianza tra il modo in cui la muffa melmaosa costruisce filamenti complessi per catturare nuovo cibo e il modo in cui la gravità, nel modellare l’universo, costruisce i fili cosmici tra galassie e ammassi di galassie.

Modello computerizzato tridimensionale

Basato sulla simulazione, Elek ha sviluppato un modello computerizzato tridimensionale dell’accumulo di muffe melmose per stimare la posizione della struttura filamentosa della rete cosmica.

Sebbene l’utilizzo di una simulazione ispirata alla melma per individuare le strutture più grandi dell’universo possa sembrare inizialmente bizzarro, gli scienziati hanno usato modelli computerizzati di questi umili microrganismi e li hanno coltivati ​​in capsule di Petri in laboratorio, per risolvere problemi così complessi come trovare le rotte di traffico più efficienti nelle grandi città, risolvere labirinti e individuare percorsi di evacuazione della folla. “Questi sono problemi difficili da risolvere per un essere umano, per non parlare di un algoritmo informatico“, ha detto Elek.

Puoi quasi vedere, specialmente nella mappa delle galassie nell’universo locale dai dati Sloan, dove dovrebbero essere i filamenti“, ha spiegato Burchett. “Il modello di muffa melmosa si adatta in modo impressionante a questa intuizione. La struttura, che sai dovrebbe esserci, è improvvisamente trovata dall’algoritmo informatico. Non c’erano altri metodi noti adatti a questo problema per la nostra ricerca“.

I ricercatori affermano che è molto difficile progettare un algoritmo affidabile per trovare i filamenti in un così ampio rilevamento di galassie. “Quindi è abbastanza sorprendente vedere che la melma virtuale ti dà un’approssimazione molto vicina in pochi minuti“, ha spiegato Elek. “Puoi letteralmente vederlo crescere“. Solo per confronto, la crescita dell’organismo in una capsula di Petri richiede giorni. La muffa melmosa ha in realtà un tipo di intelligenza molto speciale per risolvere questo compito spaziale. Dopotutto, è fondamentale per la sua sopravvivenza.