Materia we Wszechświecie nie rozkłada się równomiernie. Jest zdominowany przez supergromady i włókna materii, które je łączą, otoczone ogromnymi pustkami. Supergromady w galaktyce znajdują się na szczycie hierarchii. Wewnątrz jest wszystko inne: grupy i gromady galaktyk, pojedyncze galaktyki i układy słoneczne. Ta hierarchiczna struktura nosi nazwę „Kosmicznej Sieci”.
Ale jak i dlaczego Wszechświat przyjął tę formę?
Zespół astronomów i informatyków z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz podjął ciekawe podejście, aby to rozgryźć. Zbudowali model komputerowy oparty na wzorcach wzrostu śluzowców. To nie pierwszy raz, kiedy śluzowce pomagają wyjaśnić inne wzorce w przyrodzie.
Zespół opublikował badanie opisujące ich wyniki zatytułowane „Ujawnianie ciemnych nitek kosmicznej sieci”. Głównym autorem jest Joseph Burchett, doktorant w dziedzinie astronomii i astrofizyki w UC Santa Cruz. Badanie zostało opublikowane w The Astrophysical Journal Letters.
Współczesna teoria kosmologiczna przewiduje, że materia przyjmie kształt tych supergromad i włókien oraz rozległych pustek, które je oddzielają. Ale aż do lat 80. naukowcy uważali, że gromady galaktyk są największą strukturą, a także uważali, że gromady te były rozmieszczone równomiernie w całym Wszechświecie.
Następnie odkryto supergromady. Następnie grupy kwazarów. Trwało to wraz z coraz większą liczbą odkryć struktur i pustek. Potem przyszedł Sloan Digital Sky Survey i ogromna mapa 3D Wszechświata oraz inne działania, takie jak Millennium Simulation.
Włókna materii łączące wszystkie te supergromady i grupy galaktyk są trudne do zobaczenia. W przeważającej części jest to po prostu rozproszony wodór. Ale astronomom udało się to dostrzec.
Wejdź do śluzowca. Śluzowce są organizmami jednokomórkowymi, które doskonale doskonale żyją jako pojedyncze komórki, ale także samodzielnie tworzą agregowane struktury wielokomórkowe. Gdy jedzenie jest obfite, działają samotnie, ale gdy jedzenia jest coraz mniej, łączą się. W stanie zbiorowym lepiej wykrywają substancje chemiczne, znajdują żywność, a nawet mogą tworzyć łodygi wytwarzające zarodniki.
Śluzowce są niezwykłymi stworzeniami, a naukowcy byli zaskoczeni i zaintrygowani zdolnością stworzenia do „tworzenia optymalnych sieci dystrybucji i rozwiązywania trudnych obliczeniowo problemów organizacji przestrzennej”, jak podaje komunikat prasowy. W 2018 r. Japońscy naukowcy poinformowali, że śluzowiec był w stanie odtworzyć układ tokijskiego systemu kolei.
Oskar Elek jest doktorem habilitowanym w mediach obliczeniowych w U of C, Santa Cruz. Zasugerował autorowi Josephowi Burchettowi, że śluzowce mogą być w stanie naśladować kosmiczny rozkład materii i zapewnić sposób jej wizualizacji.
Początkowo Burchett był sceptyczny.
„To był rodzaj Eureki i przekonałem się, że model śluzowca był dla nas drogą do przodu”.
Joseph Burchett, główny autor. U of C, Santa Cruz.
Korzystając z inspiracji 2D ze świata sztuki, Elek i inny programista stworzyli trójwymiarowy algorytm zachowania śluzowca, który nazywają maszyną Monte Carlo Physarum. Physarum to organizm modelowy wykorzystywany we wszelkiego rodzaju badaniach.
Burchett postanowił podać dane Eleka z Sloan Digital Sky Survey, które zawierały 37 000 galaktyk i ich rozmieszczenie w przestrzeni kosmicznej. Kiedy uruchomili algorytm śluzowca, rezultatem było „całkiem przekonujące przedstawienie kosmicznej sieci”.
„To był rodzaj Eureki i przekonałem się, że model śluzowca jest dla nas drogą do przodu” - powiedział Burchett. „To trochę przypadkowe, że to działa, ale nie do końca. Szlamowa pleśń tworzy zoptymalizowaną sieć transportową, znajdując najbardziej wydajne ścieżki łączenia źródeł żywności. W kosmicznej sieci wzrost struktury tworzy sieci, które również są w pewnym sensie optymalne. Procesy leżące u podstaw są różne, ale wytwarzają analogiczne struktury matematyczne ”.
Ale nawet jeśli jest to przekonujące, śluzowata pleśń była jedynie wizualną reprezentacją struktury na dużą skalę. Zespół się nie zatrzymał. Udoskonalili algorytm i przeprowadzili dodatkowe testy, aby spróbować zweryfikować swój model.
W tym miejscu wkracza Dark Matter. W pewnym sensie struktura Wszechświata na dużą skalę jest rozkładem Ciemnej Materii na dużą skalę. Galaktyki powstają w masywnych aureolach Ciemnej Materii, łącząc je długimi strukturami włókienkowymi. Ciemna materia stanowi około 85% materii we Wszechświecie, a przyciąganie grawitacyjne całej tej Ciemnej Materii kształtuje rozkład „regularnej” materii.
Zespół naukowców zdobył katalog aureoli ciemnej materii z innej symulacji naukowej. Następnie uruchomili algorytm oparty na śluzowcach z tymi danymi, aby sprawdzić, czy może replikować sieć włókien łączących wszystkie te aureole. Rezultatem była bardzo ścisła korelacja z oryginalną symulacją.
„Począwszy od 450 000 aureoli ciemnej materii, możemy niemal idealnie dopasować się do pól gęstości w symulacji kosmologicznej”, powiedział Elek w komunikacie prasowym.
Algorytm szlamowej replikacji sieci filamentalnej, a naukowcy wykorzystali te wyniki do dalszego dopracowania swojego algorytmu.
W tym momencie zespół dysponował prognozą struktury wielkoskalowej i kosmicznej sieci łączącej wszystko. Następnym krokiem było porównanie go z innym zestawem danych obserwacyjnych. W tym celu udali się do czcigodnego Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. Spektrograf Cosmic Origins tego teleskopu (COS) bada strukturę Wszechświata na dużą skalę poprzez spektroskopię gazu międzygalaktycznego. Ten gaz nie emituje własnego światła, więc kluczem jest spektroskopia. Zamiast skupiać się na samym gazie, COS bada światło z odległych kwazarów, gdy przechodzi przez gaz, i jak gaz międzygalaktyczny wpływa na to światło.
„Wiedzieliśmy, gdzie włókna kosmicznej sieci powinny znajdować się dzięki śluzowcowej pleśni, więc mogliśmy przejść do zarchiwizowanych widm Hubble'a dla kwazarów badających tę przestrzeń i szukać sygnatur gazu”, wyjaśnił Burchett. „Gdziekolwiek widzieliśmy włókno w naszym modelu, widma Hubble'a pokazywały sygnał gazowy, a sygnał stawał się silniejszy w kierunku środka włókien, gdzie gaz powinien być gęstszy”.
To wymaga innej Eureki.
„Po raz pierwszy możemy zmierzyć gęstość międzygalaktycznego ośrodka od odległych obrzeży kosmicznych włókien sieciowych do gorących, gęstych wnętrz gromad galaktyk” - powiedział Burchett. „Wyniki te nie tylko potwierdzają strukturę sieci kosmicznej przewidywanej przez modele kosmologiczne, ale także pozwalają nam lepiej zrozumieć ewolucję galaktyki, łącząc ją ze zbiornikami gazu, z których tworzą się galaktyki”.
To badanie pokazuje, co można osiągnąć, gdy różni badacze wychodzą ze swoich silosów i współpracują w ramach różnych dyscyplin. Kosmologia, astronomia, programowanie komputerowe, biologia, a nawet sztuka, przyczyniły się do tego najbardziej interesującego wyniku.
„Myślę, że mogą istnieć realne możliwości, jeśli włączysz sztukę do badań naukowych” - powiedział współautor Angus Forbes z laboratorium UCSC Creative Coding. „Kreatywne podejście do modelowania i wizualizacji danych może prowadzić do nowych perspektyw, które pomogą nam zrozumieć złożone systemy”.
Więcej:
- Informacja prasowa: Astronomowie wykorzystują model śluzowca do odkrycia ciemnych nitek kosmicznej sieci
- Artykuł badawczy: Ujawnianie ciemnych nitek kosmicznej sieci
- Space Magazine: Nowa mapa 3D pokazuje struktury na dużą skalę we wszechświecie 9 miliardów lat temu
