Les chercheurs ont utilisé des simulations pour étudier la toile cosmique, le motif filamentaire des galaxies qui existe à grande échelle dans tout l’univers. En traitant la distribution des galaxies comme un ensemble de points et en appliquant des techniques mathématiques développées pour la science des matériaux, ils ont quantifié le désordre relatif de l’univers et acquis une meilleure compréhension de sa structure fondamentale. Crédit : NASA/Université de Chicago et Adler Planetarium and Astronomy Museum
L’univers est parsemé de galaxies qui, à grande échelle, présentent un motif filamenteux, appelé toile cosmique. Cette distribution hétérogène de la matière cosmique est à certains égards comme des myrtilles dans un muffin où la matière se regroupe dans certaines zones mais peut manquer dans d’autres.
Sur la base d’une série de simulations, les chercheurs ont commencé à sonder la structure hétérogène de l’univers en traitant la distribution des galaxies comme un ensemble de points – comme les particules individuelles de matière qui composent un matériau – plutôt que comme une distribution continue. Cette technique a permis l’application des mathématiques développées pour la science des matériaux pour quantifier le désordre relatif de l’univers, permettant une meilleure compréhension de sa structure fondamentale.
Visualisation des plus grandes structures de l’univers à partir du Sloan Digital Sky Survey. Crédit : NASA/Université de Chicago et Adler Planetarium and Astronomy Museum
“Ce que nous avons découvert, c’est que la distribution des galaxies dans l’univers est assez différente des propriétés physiques des matériaux conventionnels, ayant sa propre signature unique”, a expliqué Oliver Philcox, co-auteur de l’étude.
Cet ouvrage, aujourd’hui publié dans Examen physique Xa été menée par Salvatore Torquato, membre et visiteur fréquent de l’Institute for Advanced Study et Lewis Bernard Professor of Natural Sciences basé à
” data-gt-translate-attributes=”[{” attribute=””>Princeton University’s departments of chemistry and physics; and Oliver Philcox a visiting Ph.D. student at the Institute from September 2020 to August 2022, now a Junior Fellow in the Simons Society of Fellows, hosted at <span class="glossaryLink" aria-describedby="tt" data-cmtooltip="
” data-gt-translate-attributes=”[{” attribute=””>Columbia University.
Cette visualisation présente une vue 3D des plus grandes structures de l’univers. Il commence par les données du Sloan Digital Sky Survey et effectue un zoom arrière pour révéler les données de WMAP. Crédit:
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La paire a analysé les données de simulation publiques générées par l’Université de Princeton et le Flatiron Institute. Chacune des 1 000 simulations consiste en un milliard de « particules » de matière noire, dont les amas, formés par l’évolution gravitationnelle, servent de proxy pour les galaxies.
L’un des principaux résultats de l’article concerne les corrélations de paires de galaxies qui sont topologiquement connectées les unes aux autres au moyen de la fonction de connexion des paires. Sur cette base – et sur l’éventail d’autres descripteurs qui apparaissent dans la théorie des milieux hétérogènes – l’équipe de recherche a montré qu’aux plus grandes échelles (de l’ordre de plusieurs centaines de mégaparsecs), l’univers se rapproche de l’hyperuniformité, tandis qu’à des échelles plus petites (jusqu’à 10 mégaparsecs), il devient presque antihyperuniforme et fortement inhomogène.
Une section de l’univers (noir et blanc), avec des halos de matière noire indiqués par des points et leurs structures topologiques à grande échelle associées indiquées par des couleurs. Crédit : Philcox & Torquato ; Les simulations de Quijote
“Le changement perçu entre l’ordre et le désordre dépend en grande partie de l’échelle”, a déclaré Torquato. « La technique pointilliste de Georges Seurat dans la peinture A Sunday on La Grande Jatte (voir image ci-dessous) produit un effet visuel similaire ; le travail semble désordonné vu de près et très ordonné de loin. En termes d’univers, le degré d’ordre et de désordre est plus subtil, comme avec un test de tache d’encre de Rorschach qui peut être interprété d’un nombre infini de façons.
« Un dimanche sur la Grande Jatte » de Georges Seurat.
Les outils statistiques, en particulier les distributions du plus proche voisin, les diagnostics de clustering, les distributions de Poisson, les seuils de percolation et la fonction de connexion des paires, ont permis aux chercheurs de développer un cadre cohérent et objectif pour mesurer l’ordre. Par conséquent, leurs découvertes, bien que faites dans un contexte cosmologique, se traduisent par un certain nombre d’autres systèmes physiques dynamiques.
Ce travail interdisciplinaire, combinant les techniques de la cosmologie et de la physique de la matière condensée, a des implications futures pour les deux domaines. Au-delà de la distribution des galaxies, de nombreuses autres caractéristiques de l’univers peuvent être explorées avec ces outils, notamment les vides cosmiques et les bulles d’hydrogène ionisé qui se sont formées pendant la phase de réionisation de l’univers. À l’inverse, les nouveaux phénomènes découverts dans l’univers peuvent également donner un aperçu de divers systèmes matériels sur Terre. L’équipe reconnaît que davantage de travail sera nécessaire avant que ces techniques puissent être appliquées à des données réelles, mais ce travail fournit une preuve de concept solide avec un potentiel significatif.
Référence : “Univers hétérogène désordonné : Distribution et regroupement des galaxies sur des échelles de longueur” par Oliver H. E. Philcox et Salvatore Torquato, 14 mars 2023, Examen physique X.
DOI : 10.1103/PhysRevX.13.011038
