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Visualisation des plus grandes structures de l’univers

Visualisation des plus grandes structures de l’univers

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

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.

“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.

Ce travail, maintenant publié dans Physical Review X, a été mené par Salvatore Torquato, membre et visiteur fréquent de l’Institute for Advanced Study et professeur Lewis Bernard de sciences naturelles basé dans les départements de chimie et de physique de l’Université de Princeton ; et Oliver Philcox, titulaire d’un doctorat invité. étudiant à l’Institut de septembre 2020 à août 2022, maintenant Junior Fellow à la Simons Society of Fellows, hébergée à l’Université de Columbia.

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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.

Crédit vidéo : NASA/Université de Chicago et Adler Planetarium and Astronomy Museum

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.

“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 le tableau Un dimanche sur la Grande Jatte 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.

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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.

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L’Institute for Advanced Study est au service du monde en tant que l’un des principaux centres indépendants de recherche théorique et de recherche intellectuelle depuis sa création en 1930, faisant reculer les frontières de la connaissance à travers les sciences et les sciences humaines. Du travail des professeurs fondateurs de l’IAS tels qu’Albert Einstein et John von Neumann à celui des plus grands penseurs du présent, l’IAS se consacre à permettre l’exploration axée sur la curiosité et la découverte fondamentale.

Chaque année, l’Institut accueille plus de 200 des chercheurs et universitaires postdoctoraux les plus prometteurs au monde, sélectionnés et encadrés par une faculté permanente, chacun d’entre eux étant des leaders prééminents dans leur domaine. Parmi les professeurs et membres actuels et passés, il y a eu 35 lauréats du prix Nobel, 44 des 62 médaillés Fields et 22 des 25 lauréats du prix Abel, ainsi que de nombreux boursiers MacArthur et lauréats du prix Wolf.

Univers hétérogène désordonné : répartition des galaxies et cltustering sur les échelles de longueurExamen physique X

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