Астрофизики обнаружили «мосты» из темной материи

Ранее в этом году мы рассказывали о новой карте темной материи, создание которой во многом принадлежит искусственному интеллекту (ИИ). Эта подробная карта показывает ранее не обнаруженные нитевидные структуры, соединяющие галактики. Достижения ИИ сильно помогают ученым, которые используют его для создания еще одной карты темной материи, на этот раз – в локальной Вселенной, охватывающей намного меньшую область. Интересно и то, что создание подобной, невероятно точной карты, может привести к новому пониманию темной материи и внести наконец ясность относительно будущего нашей Вселенной. Карта содержит ранее неизвестные «скрытые мосты», которые связывают галактики, а также показывает ранее неизвестные «мосты», благодаря которым все галактики в локальной Вселенной связаны в единую сеть из нитевидных структур. Ученые надеются, что их карта, опубликованная вместе с их статьей в научном журнале Astrophysical journal, сможет дать новое представление о темной материи и истории нашей Вселенной.

Скелет из темной материи

Существование таинственной субстанции, занимающей около 85% всей материи во Вселенной, сегодня не доказано. В то же самое время все больше и больше ученых не сомневаются в том, что темная материя действительно существует. Эту ситуацию можно сравнить с гравитационными волнами, существование которых предсказал Альберт Эйнштейн, однако обнаружить их удалось несколько лет назад.

История существования темной материи началась, разумеется, после публикации общей теории относительности (ОТО) 106 лет назад. Немногим позже астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики удаляются от Земли (и друг от друга) со все возрастающей скоростью. Последующие десятилетия такие выдающиеся умы как Нильс Бор, Макс Планк, Луи де Бройль, Вернер Гейзенберг и другие трудились над созданием квантовой теории.

Тот самый конгресс: V Сольвеевский конгресс (1927): 1-й ряд (слева направо): Ирвинг Ленгмюр, Макс Планк, Мария Кюри, Хендрик Лоренц, Альберт Эйнштейн, Поль Ланжевен, Шарль Гюи, Чарльз Вильсон, Оуэн Ричардсон. 2-й ряд (слева направо): Петер Дебай, Мартин Кнудсен, Уильям Брэгг, Хендрик Крамерс, Поль Дирак, Артур Комптон, Луи де Бройль, Макс Борн, Нильс Бор. Стоят (слева направо): Огюст Пикар, Эмиль Анрио, Пауль Эренфест, Эдуард Герцен, Теофил де Дондер, Эрвин Шрёдингер, Жюль Эмиль Вершафельт, Вольфганг Паули, Вернер Гейзенберг, Ральф Фаулер, Леон Бриллюэн.

Хотя непосредственно наблюдать темную материю невозможно, так как она не вступает в электромагнитное взаимодейтсвие с фотонами, она является общепринятым понятием. Ученые сделали много выводов о существовании и поведении темной материи, наблюдая ее гравитационное влияние на другие космические объекты.

Космологи считают, что темная материя служит нитевидным каркасом космической сети, которая, в свою очередь, составляет крупномасштабную структуру Вселенной, частично управляющую движением галактик и других космических систем.

Еще одной трудной задачей является прямое измерение распределение темной материи в нашей локальной Вселенной, поэтому в ходе работы астрофизики использовали искусственный интеллект для создания новой карты.

«Локальная вселенная», в которую входим и мы, представляет собой область радиусом около 1 миллиарда световых лет, где галактики и связанные с ними космические объекты «по существу заморожены в своих современных конфигурациях», а эффекты космической эволюции незначительны, – объясняют астрономы.

Как рассказал Big Think один из авторов научной работы Донхуй Чжон, доцент астрономии и астрофизики в Пенсильванском университете, изучать распределение темной материи гораздо проще в наиболее удаленных объектах, так как они точно отражают невероятно далекое прошлое нашей Вселенной. «Со временем, по мере того как крупномасштабная структура Вселенной росла, сложность Вселенной возрастала, поэтому по своей сути сложнее проводить измерения темной материи локально,» – пишут авторы исследования.

Карта темной материи в локальной вселенной.

На изображении выше более мелкие нитевидные объекты (желтые) действуют как скрытые мосты между галактиками. Гравитационное влияние темной материи на галактики обозначено черными точками. Характерные черты Вселенной показаны красными точками, а крестиком отмечен Млечный Путь.

Новая карта темной материи

Итак, космические веб-карты, созданные ранее, основывались на моделировании эволюции Вселенной за 13,8 миллиарда лет до наших дней. Такие усилия требовали огромного объема вычислений и по сути не давали точных представлений о локальной вселенной, что побудило исследователей разработать новый подход.

Для новой карты они сосредоточились на использовании машинного обучения для создания модели, основанной на распределении и движении галактик. Это позволило им оценить, как распределяется темная материя.

Крупномасштабная карта Вселенной во всей красе

ИИ был обучен моделированию галактик, похожих на Млечный Путь, с помощью Illustris-TNG — продолжающейся серии симуляций, в которой представлены галактики, темная материя, газы и другая материя. Как объяснили журналистам авторы научной работы, если ввести конкретную информацию в модель, она сможет заполнить пробелы, опираясь на уже обработанные данные. Ученые дополнительно подтвердили отображение, применив его к реальным локальным данным галактик из каталога Cosmicflows-3, содержащего информацию о расстояниях почти 18 тысяч галактик.

Скрытые мосты

Полученная исследователями карта изумительна. Только вдумайтесь, впервые мы можем рассмотреть основные структуры в локальной Вселенной и в том числе в Млечном Пути. Астрофизики также описали близлежащие галактики и «локальную пустоту» — близлежащую область пустого пространства. Более того, карта позволила ученым обнаружить новые структуры.

В частности, они надеются более подробно изучить обнаруженные ими небольшие нитевидные структуры, которые, по-видимому, связывают галактики между собой. Исследователи назвали их "скрытыми мостами".

Чжон считает, что эти нити могут подарить представление о будущем нашей Галактики. Один из конкретных вопросов, заслуживающих внимания, заключается в том, столкнется ли Млечный Путь в конечном итоге с галактикой Андромеды.

Космические нитевидные структуры и мы. Какие крохотные, правда?

«Поскольку темная материя доминирует в динамике Вселенной, она в основном определяет нашу судьбу», – говорят авторы исследования.

Таким образом, астрофизики могут «попросить» компьютер разработать карту на миллиарды лет, чтобы увидеть, что произойдет в локальной вселенной. Более того, теперь они могут создать новую модель, чтобы буквально отправиться в виртуальное путешествие назад во времени. Дальнейшие исследования определенно точно сделают наши карты точнее, а количество новых данных о галактиках, полученных в результате новых астрономических исследований, ошеломляет.