Astrónomos utilizan moho mucilaginoso para mapear las estructuras más grandes del Universo


Los astrónomos diseñaron un algoritmo informático, inspirado en el comportamiento del moho mucilaginoso, y lo probo en una simulación informática del crecimiento de filamentos de materia oscura en el universo.

El equipo de investigación se inspiró en cómo el moho mucilaginoso construye filamentos complejos para capturar nuevos alimentos, y cómo este mapeo podría aplicarse a cómo la gravedad da forma al universo, a medida que la red cósmica construye los filamentos entre galaxias y cúmulos de galaxias.

Moho mucilaginoso
El comportamiento de una de las criaturas más humildes de la naturaleza está ayudando a los astrónomos a explorar las estructuras más grandes del universo.

El organismo unicelular, conocido como moho mucilaginoso, construye redes filamentosas complejas en busca de alimentos, encontrando vías casi óptimas para conectar diferentes ubicaciones.

Al dar forma al universo, la gravedad construye una vasta estructura de telarañas de filamentos que unen galaxias y cúmulos de galaxias a lo largo de puentes débiles de cientos de millones de años luz. Hay una extraña semejanza entre las dos redes: una creada por la evolución biológica y la otra por una de las cuatro fuerzas primordiales de la naturaleza; la gravedad.

La red cósmica es la columna vertebral a gran escala del cosmos, que consiste principalmente en materia oscura unida con el gas, sobre la cual se construyen las galaxias. La materia oscura no se puede ver, pero constituye la mayor parte del material del universo.

La existencia de una estructura similar a una red en el universo se insinuó por primera vez en la Encuesta Redshift de 1985 realizada en el Centro de astrofísica Harvard-Smithsonian. Desde esos estudios, la gran escala de esta estructura filamentosa ha crecido en estudios posteriores de la bóveda celeste. Los filamentos forman los límites entre los grandes vacíos en el universo.

Sin embargo, los astrónomos han tenido dificultades para encontrar estos escurridizos filamentos, porque el gas es tan oscuro que es difícil de detectar.

Las estructuras más grandes del Universo

Ahora, un equipo de investigadores ha recurrido al moho mucilaginoso para ayudarlos a construir un mapa de los filamentos en el universo local (a menos de 500 millones de años luz de la Tierra) y encontrar el gas dentro de ellos.

Diseñaron un algoritmo informático, inspirado en el comportamiento del moho mucilaginoso, y lo probaron con una simulación por computadora del crecimiento de filamentos de materia oscura en el universo. Un algoritmo de computadora es similar a un guía que le dice a la computadora exactamente qué pasos tomar para resolver un problema.

Luego, los investigadores aplicaron el algoritmo del moho mucilaginoso a los datos que contienen las ubicaciones de 37,000 galaxias mapeadas por el Sloan Digital Sky Survey a distancias correspondientes a 300 millones de años luz. El algoritmo produjo un mapa tridimensional de la estructura de la red cósmica subyacente.

Luego analizaron la luz ultravioleta de 350 quásares (a distancias mucho más lejanas de miles de millones de años luz) catalogada en el Archivo del Legado Espectroscópico del Hubble, que contiene los datos de espectrógrafos del Telescopio Espacial Hubble de la NASA. Estas lejanas luminarias cósmicas son los brillantes núcleos alimentados por agujeros negros de galaxias activas, cuya luz brilla a través del espacio y a través de la red cósmica en primer plano. Impreso en esa luz estaba la firma reveladora de absorción del gas de hidrógeno, no detectado de otra manera, que el equipo analizó en puntos específicos a lo largo de los filamentos. Estas ubicaciones están lejos de las galaxias, lo que permitió al equipo de investigación vincular el gas a la estructura a gran escala del universo.

"Es realmente fascinante que una de las formas de vida más simples realmente permita conocer las estructuras de mayor escala en el universo", dijo Joseph Burchett, investigador principal del estudio, de la Universidad de California (UC), Santa Cruz. "Al utilizar la simulación del moho mucilaginoso para encontrar la ubicación de los filamentos de la red cósmica, incluidos los que están lejos de las galaxias, podríamos usar los datos de archivo del Telescopio Espacial Hubble para detectar y determinar la densidad del gas frío en las afueras de esos filamentos invisibles. Los científicos han detectado las firmas de este gas durante varias décadas, y hemos demostrado la expectativa teórica de que este gas comprende la red cósmica".

La encuesta valida aún más la investigación de que las regiones más densas de gas intergaláctico están organizadas en filamentos, que el equipo descubrió que se extiende a más de 10 millones de años luz de las galaxias. (Esa distancia es más de 100 veces el diámetro de nuestra galaxia, la Vía Láctea).

Los investigadores recurrieron a las simulaciones con moho mucilaginoso cuando buscaban una forma de visualizar la conexión teorizada entre la estructura de la red cósmica y el gas frío detectado en estudios espectroscópicos del Hubble anteriores.

Luego, Oskar Elek, miembro del equipo de investigación y científico de medios computacionales de la UC en Santa Cruz, descubrió en internet el trabajo de Sage Jenson, un artista de medios con sede en Berlín. Entre las obras de Jenson se encontraban fascinantes visualizaciones artísticas que mostraban el crecimiento de una red de estructuras, elaboradas para la búsqueda de alimentos, en forma de tentáculos. El arte de Jenson se basó en investigaciones científicas externas, que detallaron un algoritmo para simular el crecimiento del moho mucilaginoso.

El equipo de investigación observó una sorprendente similitud entre, cómo el moho mucilaginoso construye filamentos complejos para capturar nuevos alimentos, y cómo la gravedad, al dar forma al universo, construye los hilos de la red cósmica entre galaxias y cúmulos de galaxias.

Sobre la base de esta simulación, Elek desarrolló un modelo informático tridimensional de la acumulación de moho mucilaginoso para estimar la ubicación de la estructura filamentosa de la red cósmica.

Si bien el uso de una simulación inspirada en el moho mucilaginoso para identificar las estructuras más grandes del universo puede sonar extraño al principio, los científicos han utilizado modelos informáticos de estos humildes microorganismos, y también los han cultivado en placas de Petri en un laboratorio, para resolver problemas tan complejos como el de encontrar las rutas de tráfico más eficientes en las grandes ciudades, resolviendo laberintos y señalando rutas de evacuación de multitudes. "Estos son problemas difíciles de resolver para un humano, ya no digamos para un algoritmo informático", dijo Elek.

"Casi se puede ver, especialmente en el mapa de galaxias en el universo local a partir de los datos de Sloan, donde deberían estar los filamentos", explicó Burchett. "El modelo de molde de limo se ajusta a esa intuición de manera impresionante. La estructura que usted sabe que debe estar allí es encontrada de repente por el algoritmo de la computadora. No había otro método conocido que se adaptara bien a este problema para nuestra investigación".

Los investigadores dicen que es muy difícil diseñar un algoritmo confiable para encontrar los filamentos en un estudio tan grande de galaxias. "Así que es bastante sorprendente ver que el moho mucilaginoso virtual te brinda una aproximación muy cercana en solo minutos", explicó Elek. "Literalmente puedes verlo crecer". Solo para comparar, cultivar este organismo en una placa de Petri lleva días. El moho mucilaginoso en realidad tiene un tipo de inteligencia muy especial para resolver esta tarea espacial. Después de todo, es fundamental para su supervivencia.

El documento científico del equipo aparecerá en la revista de ciencias The Astrophysical Journal Letters.

Créditos: NASA, ESA y J. Burchett y O. Elek (UC Santa Cruz)

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