Para ilmuwan telah memecahkan distorsi samar dalam pola cahaya awal alam semesta untuk memetakan struktur seperti tabung besar yang tidak terlihat oleh mata kita – yang dikenal sebagai filamen – yang berfungsi sebagai jalan bebas hambatan untuk mengirimkan materi ke pusat padat seperti gugus galaksi.
Tim sains internasional, yang termasuk peneliti dari Departemen Energi Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) dan UC Berkeley, menganalisis data dari survei langit yang lalu menggunakan teknologi pengenalan citra canggih untuk memasukkan efek berbasis gravitasi yang mengidentifikasi bentuk-bentuk filamen ini. Mereka juga menggunakan model dan teori tentang filamen untuk membantu memandu dan menafsirkan analisis mereka.
Diterbitkan tanggal 9 April dalam jurnal Nature Astronomy , eksplorasi rinci filamen akan membantu para peneliti untuk lebih memahami pembentukan dan evolusi jaringan kosmik – struktur berskala besar materi di alam semesta – termasuk benda misterius yang tak terlihat yang dikenal sebagai materi gelap. yang membentuk sekitar 85 persen dari total massa alam semesta.
Materi gelap merupakan filamen – yang dipelajari oleh para peneliti biasanya meregang dan melentur selama ratusan jutaan tahun cahaya – dan apa yang disebut lingkaran cahaya yang menghuni gugus galaksi ditenagai oleh jaringan universal filamen. Lebih banyak studi tentang filamen ini dapat memberikan wawasan baru tentang energi gelap, misteri lain dari alam semesta yang mendorong perluasannya yang semakin cepat.
Dalam ilustrasi ini, lintasan cahaya latar belakang kosmik gelombang mikro (CMB) dibelokkan oleh struktur yang dikenal sebagai filamen yang tidak terlihat oleh mata kita, menciptakan efek yang dikenal sebagai pelensaan lemah yang ditangkap oleh satelit Planck (kiri), sebuah observatorium ruang angkasa. Peneliti menggunakan komputer untuk mempelajari pelensaan lemah dari CMB dan menghasilkan peta filamen, yang biasanya membentang ratusan tahun cahaya panjangnya. (Kredit: Siyu He, Shadab Alam, Wei Chen, dan Planck / ESA)
Sifat-sifat filamen juga dapat menempatkan teori-teori gravitasi untuk diuji, termasuk teori relativitas umum Einstein, dan memberikan petunjuk penting untuk membantu memecahkan ketidaksesuaian yang nyata dalam jumlah materi yang terlihat yang diprediksi ada di alam semesta – “masalah baryon yang hilang.”
“Biasanya para peneliti tidak mempelajari filamen ini secara langsung – mereka melihat galaksi dalam pengamatan,” kata Shirley Ho, seorang ilmuwan senior di Berkeley Lab dan profesor fisika Cooper-Siegel di Carnegie Mellon University yang memimpin penelitian. “Kami menggunakan metode yang sama untuk menemukan filamen yang digunakan Yahoo dan Google untuk pengenalan gambar, seperti mengenali nama-nama tanda jalan atau menemukan kucing dalam foto.”
Penelitian ini menggunakan data dari Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, atau BOSS, survei langit berbasis Bumi yang menangkap cahaya dari sekitar 1,5 juta galaksi untuk mempelajari ekspansi alam semesta dan distribusi materi bermotif di alam semesta yang digerakkan oleh propagasi suara gelombang, atau “osilasi akustik baryonic,” berdesir di alam semesta awal.
Tim survei BOSS, yang menampilkan ilmuwan Berkeley Lab dalam peran kunci, menghasilkan katalog struktur filamen yang mungkin yang menghubungkan kelompok materi yang peneliti tarik dari dalam studi terbaru.
Para peneliti juga bergantung pada pengukuran spasial yang tepat dari latar belakang gelombang mikro kosmik, atau CMB, yang merupakan sinyal sisa yang hampir seragam dari cahaya pertama alam semesta. Meskipun ciri khas sederhana ini sangat mirip di seluruh alam semesta, ada fluktuasi biasa yang telah dipetakan dalam survei sebelumnya.
Dalam studi terbaru, para peneliti berfokus pada fluktuasi berpola di CMB. Mereka menggunakan algoritma komputer super canggih untuk mencari jejak filamen dari distorsi berbasis gravitasi di CMB, yang dikenal sebagai efek pelensaan yang lemah, yang disebabkan oleh cahaya CMB yang melewati materi.
Karena galaksi hidup di daerah terpadat di alam semesta, sinyal pelensaan yang lemah dari defleksi cahaya CMB adalah yang terkuat dari bagian tersebut. Materi gelap berada di lingkaran cahaya – halo – di sekitar galaksi tersebut, dan juga diketahui menyebar dari daerah-daerah yang padat dalam filamen.
Video yang memvisualisasikan jaringan kosmik: Simulasi komputerisasi ini oleh Virgo Consortium, yang disebut Millennium Simulation, menunjukkan struktur mirip-jaringan di alam semesta yang terdiri dari galaksi dan materi gelap di sekitar mereka. (Kredit: Proyek Simulasi Milenium)
Data baru dari eksperimen yang ada, dan survei langit generasi berikutnya seperti Instrumen Spektroskopi Energi Gelap (Dark Energy Spectroscopic Instrument) Berkeley yang sekarang sedang dibangun di Observatorium Nasional Kitt Peak di Arizona harus menyediakan data yang lebih rinci tentang filamen ini, tambahnya.
“Kami tahu bahwa filamen ini juga harus menyebabkan defleksi CMB dan juga akan menghasilkan sinyal lensa gravitasi lemah yang terukur,” kata Siyu He, penulis utama studi yang adalah Ph.D. Peneliti dari Carnegie Mellon University – dia sekarang di Berkeley Lab dan juga berafiliasi dengan UC Berkeley. Tim peneliti menggunakan teknik statistik untuk mengidentifikasi dan membandingkan “punggung,” atau titik kepadatan yang lebih tinggi bahwa teori memberitahu mereka akan menunjukkan adanya filamen.
“Kami tidak hanya mencoba untuk ‘menghubungkan titik-titik’ – kami mencoba untuk menemukan kenaikannya dalam kepadatan, titik maksimum kepadatan lokal,” katanya. Mereka memeriksa temuan mereka dengan data klaster filamen dan galaksi lainnya, dan dengan “tiruan,” atau simulasi filamen berdasarkan pengamatan dan teori. Tim ini menggunakan simulasi kosmologis besar yang dihasilkan di Pusat Penelitian Ilmiah Riset Energi Nasional Berkeley Lab (NERSC), misalnya, untuk memeriksa kesalahan dalam pengukuran mereka.
Filamen dan koneksinya dapat mengubah bentuk dan koneksi dari skala waktu ratusan juta tahun. Gaya bersaing dari tarikan gravitasi dan perluasan alam semesta dapat memperpendek atau memperpanjang filamen.
“Filamen adalah bagian integral dari jaringan kosmik, meskipun tidak jelas apa hubungan antara materi gelap yang mendasarinya dengan filamen,” dan itu adalah motivasi utama untuk penelitian, kata Simone Ferraro, salah satu penulis studi yang merupakan Miller postdoctoral fellow di UC Berkeley Center for Cosmological Physics.
Para peneliti mencatat bahwa langkah penting dalam mennyederhanakan bentuk dan lokasi filamen juga harus berguna untuk studi terfokus yang berusaha mengidentifikasi jenis gas apa yang menghuni filamen, suhu gas-gas ini, dan mekanisme bagaimana partikel masuk dan bergerak di sekitar filamen. Penelitian ini juga memungkinkan mereka untuk menentukan panjang filamen.
Siyu He mengatakan bahwa menyelesaikan struktur filamen juga dapat memberikan petunjuk pada sifat dan isi dari ruang kosong di sekitar filamen, dan “membantu dengan teori lain yang merupakan modifikasi dari relativitas umum,” katanya.
Ho menambahkan, “Kita juga bisa menggunakan filamen ini untuk membatasi energi gelap – panjang dan lebarnya mungkin memberi tahu kita sesuatu tentang parameter energi gelap.
