.
No final de 2021, Salvatore Torquato, em licença sabática do Departamento de Química de Princeton, cruzou o corredor e convidou um jovem astrofísico do Instituto de Estudos Avançados para aplicar as ferramentas da mecânica estatística em seu próprio trabalho sobre a distribuição de galáxias.
O astrofísico Oliver Philcox, agora pós-doutorando na Fundação Simons, ficou intrigado. Seguiu-se uma colaboração de um ano.
As questões no centro de sua parceria incomum eram diretas: os descritores estatísticos com os quais Torquato trabalhou ao longo de sua carreira podem encontrar aplicação em lugares improváveis como a cosmologia e podem caracterizar com precisão a complexidade na distribuição das galáxias? A resposta para ambas as perguntas: sim, de fato.
A colaboração deles se concretizou esta semana com um artigo na Revisão Física X, “O Universo Heterogêneo Desordenado: Distribuição Galáctica e Agrupamento em Escalas de Comprimento.” Nele, os pesquisadores demonstram que podem descobrir informações úteis sobre a distribuição espacial das galáxias a partir de alguns descritores mais comumente usados para classificar a microestrutura dos materiais.
Os astrofísicos há muito exploram questões sobre a estrutura em larga escala do Universo por meio de ferramentas padrão da cosmologia física. O que Torquato e Philcox fizeram foi provar que uma nova matriz de descritores pode ser usada para caracterizar dados estruturais em escalas de comprimento, desde a escala atômica até a maior escala do Universo… incluindo o Universo.
Torquato usa a palavra “zoologia” para captar o conjunto de técnicas teóricas e computacionais que utiliza em seu trabalho. O que ele quer dizer é: aplicar descritores estatísticos que descrevem microestruturas de materiais complexos para determinar suas propriedades físicas e químicas em macroescala.
Aplicando essas técnicas em larga escala para localizar semelhanças, Torquato e Philcox trataram as galáxias como uma nuvem de pontos individuais semelhantes a partículas em um material.
“Então, tudo bem, eu tenho duas regiões do espaço: podem ser as galáxias e tudo fora das galáxias. Entre outras coisas, você pode estudar os buracos entre as galáxias da mesma forma que estudaria a estrutura dos materiais”, disse Torquato, químico teórico e professor Lewis Bernard de Ciências Naturais, professor de Química e do Princeton Materials Institute.
“Se eu disser que quero colocar uma bola entre as galáxias que não toque em nenhuma das galáxias, de que tamanho eu preciso de uma bola? Você pode aplicar essa questão estatística a qualquer estrutura complicada, seja a distribuição de galáxias ou a distribuição dos átomos, essa é a beleza disso.
“Curiosamente”, acrescentou, “a estrutura única do Universo oferece novos desafios para determinar descritores ainda melhores para descrever materiais terrestres”.
Philcox, ex-aluno de pós-graduação no Departamento de Ciências Astrofísicas de Princeton, abraçou essa “zoologia” para ampliar sua própria caixa de ferramentas. Um exemplo importante foi o uso da função de conexão de pares, que Philcox define como uma maneira particular de caracterizar materiais observando a distribuição de pares de pontos.
“Aprofundar-se na zoologia com Sal certamente levou a algumas descobertas interessantes de estatísticas usadas na ciência dos materiais que poderiam ser usadas na cosmologia, mas ainda não o foram, sendo a função de conexão de pares a mais notável”, disse Philcox. “As estatísticas cosmológicas convencionais respondem à pergunta: se eu escolher dois pontos aleatoriamente, qual é a separação deles, probabilisticamente?
“A função de conexão de pares faz algo semelhante, mas inclui informações topológicas. Essencialmente, ela agrupa as partículas em um material em estruturas conectadas e, em seguida, analisa a distribuição de separações entre dois pontos dentro dessa estrutura, em vez de globalmente.”
Usando esta e outras funções, os pesquisadores foram capazes de gerar tabelas de números que serviam como medida de ordem ou desordem em escalas de comprimento. Quando aplicadas a questões de relações espaciais entre galáxias, as ferramentas destacam um tipo de desordem correlacionada – uma propriedade estrutural complexa que “definitivamente” não é aleatória.
“Estamos fazendo exatamente as mesmas perguntas sobre a estrutura em grande escala que os cosmólogos sempre fizeram usando descritores mais padrão: como descrevemos essa estrutura; como a caracterizamos; como a quantificamos; o que podemos obter dela em termos da física”, disse Torquato. “Estamos apenas usando algumas novas ferramentas teóricas para fazer isso.”
Philcox acrescentou: “Acho que é uma mensagem importante que existem algumas ferramentas conceitualmente muito simples que podem nos permitir extrair novas informações sobre o Universo, particularmente no que diz respeito ao seu agrupamento, que são bastante ortogonais ao que já é usado. Estamos entusiasmados para ver como eles podem ser usados na prática.”
.
