Materija v vesolju ni porazdeljena enako. V njem prevladujejo super-grozdi in nitke snovi, ki jih združujejo, obdane z ogromnimi prazninami. Super-grozdi Galaxy so na vrhu hierarhije. Znotraj teh je vse drugo: skupine galaksije in grozdi, posamezne galaksije in sončni sistem. Ta hierarhična struktura se imenuje "Kozmični splet."
Toda kako in zakaj je vesolje sprejelo takšno obliko?
Skupina astronomov in računalniških znanstvenikov iz kalifornijske univerze Santa Cruz je izkoristila zanimiv pristop, da to ugotovi. Zgradili so računalniški model, ki je temeljil na vzorcih rasti kalupov. To ni prvič, da so plesni s sluzjo pomagali razložiti druge vzorce v naravi.
Skupina je objavila študijo, v kateri je predstavila svoje rezultate z naslovom "Razkrivanje temnih niti kozmičnega spleta." Glavni avtor je Joseph Burchett, podoktorski raziskovalec astronomije in astrofizike na UC Santa Cruz. Študija je bila objavljena v The Astrophysical Journal Letters.
Sodobna kozmološka teorija napoveduje, da bo materija dobila obliko teh super-grozdov in nitk ter ogromne praznine, ki jih ločujejo. Toda do osemdesetih let prejšnjega stoletja so znanstveniki menili, da so grozdski grozdi največja struktura, prav tako pa so mislili, da so ti grozdi enakomerno razporejeni po vesolju.
Nato so odkrili super grozde. Nato skupine kvazarjev. Šlo je naprej, z vedno več odkritji struktur in praznin. Nato je sledila Sloan Digital Sky Survey in ogromna 3D karta vesolja ter druga prizadevanja, kot je simulacija tisočletja.
Vlaknine snovi, ki povezujejo vse te super-grozde in skupine galaksij, je težko razbrati. Večinoma gre le za difuzijo vodika. A astronomi so to uspeli ujeti.
Vnesite kalup za sluz. Slim plesni so enocelični organizmi, ki odlično živijo kot enotne celice, hkrati pa avtonomno tvorijo agregatne večcelične strukture. Kadar je hrana obilna, delujejo sami, kadar pa je hrane bolj malo, se povezujejo. V kolektivnem stanju so boljši pri odkrivanju kemikalij, iskanju hrane in lahko celo tvorijo peclje, ki proizvajajo spore.
Plezalni kalupi so izjemna bitja, znanstvenike pa je zmedla in spletla zmožnost bitja, da "ustvari optimalne distribucijske mreže in reši računalniško težke težave s prostorsko organizacijo", kot piše v sporočilu za javnost. Leta 2018 so japonski znanstveniki poročali, da je lahko obloga iz sluznice ponovila postavitev tokijskega železniškega sistema.
Oskar Elek je podoktorski raziskovalec računalniških medijev na U C, Santa Cruz. Avtorju Josephu Burchettu je predlagal, da bi lahko plesni iz sluz posnemali kozmično razporeditev snovi in zagotovili način njene vizualizacije.
Burchett je bil sprva skeptičen.
"To je bil nekakšen trenutek Eureke in prepričan sem bil, da je model za oblikovanje sluzi naprej za nas."
Joseph Burchett, glavni avtor. U C, Santa Cruz.
Elek in še en programer sta črpala 2-D navdih iz sveta umetnosti, ustvarila 3-D algoritem obnavljanja sluzi, ki mu pravijo Monte Carlo Physarum Machine. Physarum je vzorčni organizem, ki se uporablja v vseh vrstah raziskav.
Burchett se je odločil, da bo Eleku posredoval podatke iz Sloan Digital Sky Survey, ki so vsebovali 37.000 galaksij in njihovo razporeditev v vesolju. Ko so vodili algoritem za oblikovanje sluzi, je bil rezultat "precej prepričljiv prikaz kozmičnega spleta."
"To je bil nekakšen trenutek Eureke. Prepričan sem bil, da je model za oblikovanje sluzi naprej za nas," je dejal Burchett. "Delo je nekako naključno, vendar ne v celoti. Kalup za sluz ustvarja optimizirano transportno mrežo in poišče najučinkovitejše poti za povezavo virov hrane. V kozmičnem spletu rast strukture ustvarja mreže, ki so tudi v določenem smislu optimalne. Osnovni procesi so različni, vendar ustvarjajo matematične strukture, ki so analogne. "
Toda čeprav je prepričljiv, je bil kalup za sluz le vizualni prikaz strukture velikega obsega. Ekipa se tam ni ustavila. Izpopolnili so algoritem in naredili dodatne teste, da bi poskušali potrditi svoj model.
Tukaj v zgodbo vstopi Dark Matter. Na nek način je obsežna struktura vesolja obsežna porazdelitev Temne materije. Galaksije se tvorijo v ogromnih haloih Temne materije, ki jih povezujejo dolge nitaste strukture. Temna snov obsega približno 85% snovi v vesolju in gravitacijski poteg vsega, kar Dark Matter oblikuje porazdelitev "navadne" materije.
Skupina raziskovalcev je dobila še en katalog halosov temne snovi iz druge znanstvene simulacije. Nato so zagnali svoj algoritem, ki temelji na sluzi s temi podatki, da bi videli, ali lahko posnema mrežo filamentov, ki povezujejo vse te haloge. Rezultat je bila zelo tesna povezava z originalno simulacijo.
"Začenši s 450.000 halosi temne snovi, se lahko v kozmološki simulaciji skoraj popolnoma prilegajo poljem gostote," je v sporočilu za javnost dejal Elek.
Algoritem sluzastega plesni je posnemal nitasto mrežo in raziskovalci so te rezultate uporabili za nadaljnjo prilagoditev svojega algoritma.
V tistem trenutku je ekipa imela napoved o strukturi velikega obsega in kozmičnem spletu, ki je povezal vse. Naslednji korak je bila primerjava z drugačnim naborom opazovalnih podatkov. Za to so se odpravili na časten vesoljski teleskop Hubble. Ta spektrograf kozmičnega izvora teleskopa (COS) proučuje obsežno strukturo vesolja s pomočjo spektroskopije medgalaktičnega plina. Plin ne oddaja nobene svetlobe, zato je ključna spektroskopija. Namesto da bi se osredotočil na sam plin, COS preučuje svetlobo iz oddaljenih kvazarjev, ko prehaja skozi plin, in kako intergalaktični plin vpliva na to svetlobo.
"Vedeli smo, kje naj bi bile nitke kozmičnega spleta zahvaljujoč sluzi, zato smo lahko odšli do arhiviranega Hubblovega spektra za kvazarje, ki sondirajo ta prostor, in iskali podpise plina," je pojasnil Burchett. "Kadar koli smo v našem modelu videli nitko, so Hubblovi spektri pokazali plinski signal, signal pa se je okrepil proti sredini nitk, kjer naj bi bil plin gostejši."
To zahteva še eno Eureko.
"Zdaj lahko prvič količinsko določimo gostoto medgalaktičnega medija od oddaljenih obrob kozmičnih spletnih nitk do vročih, gostih notranjosti galaksijskih grozdov," je dejal Burchett. "Ti rezultati ne samo potrjujejo strukturo kozmičnega spleta, ki jo napovedujejo kozmološki modeli, ampak tudi nam omogočajo, da izboljšamo svoje razumevanje evolucije galaksije, tako da jo povežemo z rezervoarji plina, iz katerih se tvorijo galaksije."
Ta študija kaže, kaj je mogoče doseči, ko različni raziskovalci pridejo iz svojih silosov in sodelujejo v različnih disciplinah. K temu najzanimivejšemu izidu so prispevali kozmologija, astronomija, računalniško programiranje, biologija in celo umetnost.
"Mislim, da lahko obstajajo resnične priložnosti, ko umetnost vključite v znanstveno raziskovanje," je dejal soavtor Angus Forbes iz UCSC laboratorija za kreativno kodiranje. "Ustvarjalni pristopi k modeliranju in vizualizaciji podatkov lahko pripeljejo do novih perspektiv, ki nam pomagajo do smisla zapletenih sistemov."
Več:
- Sporočilo za javnost: Astronomi uporabljajo model za oblikovanje sluzi, da razkrijejo temne niti kozmičnega spleta
- Raziskovalni članek: Razkrivanje temnih niti kozmičnega spleta
- Vesoljska revija: Nov 3-D zemljevid prikazuje velike strukture lestvice v vesolju pred 9 milijardami let
