O universo é salpicado de galáxias que, em grandes escalas, exibem um padrão filamentoso, conhecido como teia cósmica. Essa distribuição heterogênea de material cósmico é, de certa forma, como mirtilos em um muffin, onde o material se aglomera em certas áreas, mas pode faltar em outras.

Com base em uma série de simulações, os pesquisadores começaram a sondar a estrutura heterogênea do universo, tratando a distribuição das galáxias como uma coleção de pontos – como as partículas individuais de matéria que compõem um material – em vez de uma distribuição contínua. Esta técnica possibilitou a aplicação da matemática desenvolvida para a ciência dos materiais para quantificar a desordem relativa do universo, possibilitando uma melhor compreensão de sua estrutura fundamental.

“O que descobrimos foi que a distribuição das galáxias no universo é bastante diferente das propriedades físicas dos materiais convencionais, tendo sua própria assinatura única”, explicou Oliver Philcox, coautor do estudo.

Este trabalho, agora publicado na Physical Review X , foi conduzido por Salvatore Torquato, membro frequente e visitante do Instituto de Estudos Avançados e professor Lewis Bernard de Ciências Naturais baseado nos departamentos de química e física da Universidade de Princeton; e Oliver Philcox, Ph.D. visitante. aluno do Instituto de setembro de 2020 a agosto de 2022, agora Junior Fellow na Simons Society of Fellows, hospedado na Columbia University.

A dupla analisou dados de simulação pública gerados pela Universidade de Princeton e pelo Flatiron Institute. Cada uma das 1.000 simulações consiste em um bilhão de "partículas" de matéria escura cujos aglomerados, formados pela evolução gravitacional, servem como um proxy para as galáxias.

Um dos principais resultados do artigo diz respeito às correlações de pares de galáxias que estão topologicamente conectadas entre si por meio da função pair-connectedness. Com base nisso - e na série de outros descritores que surgem na teoria da mídia heterogênea - a equipe de pesquisa mostrou que nas maiores escalas (da ordem de várias centenas de megaparsecs), o universo se aproxima da hiperuniformidade, enquanto em escalas menores (até 10 megaparsecs) torna-se quase anti-hiperuniforme e fortemente não homogêneo.

"A mudança percebida entre ordem e desordem depende muito da escala", afirmou Torquato. "A técnica pontilhista de Georges Seurat na pintura Um domingo na Grande Jatte produz um efeito visual semelhante; a obra parece desordenada quando vista de perto e altamente ordenada de longe. Em termos de universo, o grau de ordem e desordem é mais sutil, como com um teste de mancha de tinta Rorschach que pode ser interpretado de um número infinito de maneiras."

Ferramentas estatísticas, especificamente distribuições de vizinhos mais próximos, diagnósticos de agrupamento, distribuições de Poisson, limites de percolação e a função de conectividade de pares, permitiram que os pesquisadores desenvolvessem uma estrutura consistente e objetiva para medir a ordem. Portanto, suas descobertas, embora feitas em um contexto cosmológico, se traduzem em vários outros sistemas físicos dinâmicos.

Este trabalho interdisciplinar , combinando as técnicas da cosmologia e da física da matéria condensada, tem implicações futuras para ambos os campos. Além da distribuição das galáxias , muitas outras características do universo podem ser exploradas com essas ferramentas, incluindo vazios cósmicos e bolhas de hidrogênio ionizadas que se formaram durante a fase de reionização do universo.

Por outro lado, os novos fenômenos descobertos sobre o universo também podem fornecer informações sobre vários sistemas materiais na Terra. A equipe reconhece que mais trabalho será necessário antes que essas técnicas possam ser aplicadas a dados reais, mas este trabalho fornece uma forte prova de conceito com potencial significativo.