Matter in the Universe distribueres ikke likt. Det er dominert av superklynger og materiens filamenter som snor dem sammen, omgitt av store tomrom. Superklynger i Galaxy er øverst i hierarkiet. Inne i dette er alt annet: galakse grupper og klynger, individuelle galakser og solsystemer. Denne hierarkiske strukturen kalles den "kosmiske nettet."
Men hvordan og hvorfor tok universet denne formen?
Et team av astronomer og informatikere ved University of California Santa Cruz tok en interessant tilnærming for å finne ut av det. De bygde en datamodell basert på vekstmønstrene til slimformer. Dette er ikke første gang at slimformer har bidratt til å forklare andre mønstre i naturen.
Teamet har publisert en studie som beskriver resultatene med tittelen "Å avsløre de mørke tråder på det kosmiske nettet." Hovedforfatter er Joseph Burchett, postdoktor i astronomi og astrofysikk ved UC Santa Cruz. Studien ble publisert i The Astrophysical Journal Letters.
Moderne kosmologisk teori spår at materie vil ta formen av disse superklyngene og filamentene, og de enorme tomrommene som skiller dem. Men fram til 1980-tallet trodde forskere at galakse klynger var den største strukturen, og de trodde også at disse klyngene var fordelt jevnt over hele universet.
Da ble superklynger oppdaget. Så grupper av kvasarer. På den gikk, med flere og flere funn av strukturer og tomrom. Så kom Sloan Digital Sky Survey og et stort 3D-kart over universet, og annen innsats som Millennium Simulation.
Materiale filamentene som forbinder alle disse superklyngene og gruppene av galakser er vanskelig å se. For det meste er det bare diffust hydrogen. Men astronomer har klart å få et glimt av det.
Gå inn i slimformen. Slammeformer er encellede organismer som er helt fine og lever som enkeltceller, men også autonomt danner aggregerte flercellede strukturer. Når maten er rikelig, handler de alene, men når maten er knappere, binder de seg sammen. I kollektiv tilstand er de flinkere til å oppdage kjemikalier, finne mat og kan til og med danne stilker som produserer sporer.
Slemmeformer er bemerkelsesverdige skapninger, og forskere har blitt forundret og fascinert av skapningens evne til å "skape optimale distribusjonsnettverk og løse beregningsmessige vanskelige romlige organisasjonsproblemer", som det heter i en pressemelding. I 2018 rapporterte japanske forskere at en slimform var i stand til å gjenskape utformingen av Tokyos jernbanesystem.
Oskar Elek er postdoktor i beregningsmedier ved U of C, Santa Cruz. Han foreslo å lede forfatteren Joseph Burchett at slimformer kan være i stand til å etterligne den kosmiske fordelingen av materie og gi en måte å visualisere den på.
Til å begynne med var Burchett skeptisk.
"Det var et slags Eureka-øyeblikk, og jeg ble overbevist om at slimformmodellen var veien videre for oss."
Joseph Burchett, hovedforfatter. U av C, Santa Cruz.
Ele og en annen programmerer, som bygger på 2-D-inspirasjon fra kunstverdenen, skapte en 3D-algoritme for slamformoppførsel som de kaller Monte Carlo Physarum Machine. Physarum er en modellorganisme som brukes i all slags forskning.
Burchett bestemte seg for å gi Elek data fra Sloan Digital Sky Survey som inneholdt 37 000 galakser og deres distribusjon i verdensrommet. Da de kjørte slimeformalgoritmen, var resultatet "en ganske overbevisende representasjon av den kosmiske nettet."
"Det var et slags Eureka-øyeblikk, og jeg ble overbevist om at slimformmodellen var veien videre for oss," sa Burchett. ”Det er litt tilfeldig at det fungerer, men ikke helt. En slamform skaper et optimalisert transportnettverk, og finner de mest effektive traséene for å koble matkilder. I den kosmiske nettet produserer veksten av struktur nettverk som også på en måte er optimale. De underliggende prosessene er forskjellige, men de produserer matematiske strukturer som er analoge. ”
Men selv om den er overbevisende, var slimformen bare en visuell fremstilling av storskala-strukturen. Teamet stoppet ikke der. De raffinerte algoritmen og gjorde ytterligere tester for å prøve å validere modellen.
Det er her Dark Matter kommer inn i historien. På en måte er universets storskala struktur storskala distribusjonen av Dark Matter. Galakser dannes i massive glorier av Dark Matter, med lange filamentale strukturer som forbinder dem. Dark Matter utgjør omtrent 85% av materien i Universet, og gravitasjonstrekket til alt det Dark Matter former fordelingen av "vanlig" materie.
Forskerteamet fikk tak i en katalog med mørke stoffer fra en annen vitenskapelig simulering. Så kjørte de sin slamformbaserte algoritme med dataene for å se om den kunne gjenskape nettverket av filamenter som forbinder alle disse glorieene. Resultatet var en veldig tett korrelasjon med den opprinnelige simuleringen.
"Fra og med 450 000 mørke stoffer, kan vi få en perfekt passform til tetthetsfeltene i den kosmologiske simuleringen," sa Elek i pressemeldingen.
Slimeformalgoritmen gjentok filamentnettverket, og forskerne brukte disse resultatene for å finjustere algoritmen ytterligere.
På det tidspunktet hadde teamet en prediksjon av strukturen i storskala strukturen og den kosmiske nettet som forbinder alt. Neste trinn var å sammenligne det med et annet sett observasjonsdata. For dette dro de til det ærverdige Hubble-romteleskopet. Det teleskopets Cosmic Origins Spectrograph (COS) studerer universums storskala struktur gjennom spektroskopi av intergalaktisk gass. Den gassen avgir ikke noe eget lys, så spektroskopi er nøkkelen. I stedet for å fokusere på selve gassen, studerer COS lyset fra fjerne kvasarer når det passerer gjennom gassen, og hvordan den intergalaktiske gassen påvirker lyset.
"Vi visste hvor filamentene på det kosmiske nettet skulle være takket være slimformen, slik at vi kunne gå til det arkiverte Hubble-spektraet for kvasarene som undersøker det rommet og ser etter signaturene til gassen," forklarte Burchett. "Uansett hvor vi så et glødetråd i vår modell, viste Hubble-spektre et gassignal, og signalet ble sterkere mot midten av filamentene der gassen skulle være tettere."
Det krever en annen Eureka.
"For første gang nå kan vi tallfeste tettheten til det intergalaktiske mediet fra de eksterne utkanten av kosmiske nettfilamenter til det varme, tette interiøret i galakse-klynger," sa Burchett. "Disse resultatene bekrefter ikke bare strukturen på den kosmiske nettet som er forutsagt av kosmologiske modeller, de gir oss også en måte å forbedre vår forståelse av galakseutviklingen ved å koble den til gassreservoarene som galakser utgjør fra."
Denne studien viser hva som kan oppnås når forskjellige forskere kommer ut av siloene sine og samarbeider gjennom forskjellige fagområder. Kosmologi, astronomi, dataprogrammering, biologi og til og med kunst, bidro alle til dette mest interessante resultatet.
"Jeg tror det kan være reelle muligheter når du integrerer kunsten i vitenskapelig forskning," sa medforfatter Angus Forbes fra UCSC Creative Coding lab. "Kreative tilnærminger til modellering og visualisering av data kan føre til nye perspektiver som hjelper oss å gi mening om komplekse systemer."
Mer:
- Pressemelding: Astronomer bruker slimformmodell for å avsløre mørke tråder av den kosmiske nettet
- Forskningsartikkel: avsløre de mørke tråder på den kosmiske nettet
- Space Magazine: Nytt 3-D kart viser store skala strukturer i universet 9 milliarder år siden
