Materia în Univers nu este distribuită în mod egal. Este dominat de super-grupări și de filamentele de materie care le împletesc, înconjurate de goluri uriașe. Super-cluster-urile Galaxy sunt în vârful ierarhiei. În interiorul acestora se află orice altceva: grupuri de galaxii și clustere, galaxii individuale și sisteme solare. Această structură ierarhică se numește „Cosmic Web”.
Dar cum și de ce a luat Universul această formă?
O echipă de astronomi și oameni de informatică de la Universitatea din California Santa Cruz a luat o abordare interesantă pentru a-și da seama. Au construit un model de computer bazat pe tiparele de creștere a matrițelor de slime. Nu este prima dată când formele de slime au ajutat la explicarea altor tipare din natură.
Echipa a publicat un studiu care prezintă rezultatele lor intitulat „Dezvăluirea firelor întunecate ale Cosmic Web”. Autorul principal este Joseph Burchett, cercetător postdoctoral în astronomie și astrofizică la UC Santa Cruz. Studiul a fost publicat în The Astrophysical Journal Letters.
Teoria cosmologică modernă prevede că materia va lua forma acestor super-clustere și filamente și a golurilor vaste care le separă. Dar până în anii 1980, oamenii de știință au crezut că grupurile de galaxii sunt cea mai mare structură și, de asemenea, au crezut că acele grupuri au fost distribuite uniform în întregul Univers.
Apoi au fost descoperite super-clustere. Apoi grupuri de quasari. A continuat, cu tot mai multe descoperiri de structuri și goluri. Apoi au venit Sloan Digital Sky Survey și o uriașă hartă 3D a Universului, precum și alte eforturi, cum ar fi Simularea Mileniului.
Filamentele de materie care leagă toate aceste super-clustere și grupuri de galaxii sunt greu de observat. În cea mai mare parte, este doar hidrogen difuz. Dar astronomii au reușit să surprindă.
Introduceți mucegaiul subțire. Mucegaiurile subțire sunt organisme unicelulare care trăiesc perfect ca niște celule, dar formează în mod autonom structuri multicelulare agregate. Când mâncarea este abundentă, acționează singuri, dar când mâncarea este mai rară, se îmbină. În starea colectivă, ei sunt mai buni la detectarea substanțelor chimice, la găsirea hranei și chiar pot forma tulpini care produc spori.
Formele de zmeură sunt creaturi remarcabile, iar oamenii de știință au fost încurcați și intrigați de capacitatea creaturii de a „crea rețele optime de distribuție și de a rezolva probleme de organizare spațială dificile din punct de vedere”, se arată într-un comunicat de presă. În 2018, oamenii de știință japonezi au raportat că o matriță de slime a fost capabilă să reproducă macheta sistemului feroviar din Tokyo.
Oskar Elek este un cercetător postdoctoral în medii de calcul la U of C, Santa Cruz. El a sugerat să-l conducă pe autorul Joseph Burchett că formele de slime pot fi capabile să imite distribuția cosmică a materiei și să ofere un mod de vizualizare a acesteia.
Burchett a fost sceptic, inițial.
„Acesta a fost un moment de tip Eureka, și am devenit convins că modelul de mucegai de soare este calea de urmat pentru noi.”
Joseph Burchett, autor principal. U din C, Santa Cruz.
Bazându-se pe inspirația 2-D din lumea artei, Elek și un alt programator au creat un algoritm 3-D de comportare a mucegaiului slime pe care îl numesc Mașina Monte Carlo Physarum. Physarum este un organism model folosit în tot felul de cercetări.
Burchett a decis să ofere date Elek din Sloan Digital Sky Survey care conținea 37.000 de galaxii și distribuția lor în spațiu. Când au rulat algoritmul de mucegai, rezultatul a fost „o reprezentare destul de convingătoare a rețelei cosmice”.
„Acesta a fost un moment de tip Eureka, și am devenit convins că modelul de mucegai de soare este calea de urmat pentru noi”, a spus Burchett. „Este oarecum întâmplător că funcționează, dar nu în totalitate. Un mucegai crește o rețea de transport optimizată, găsind cele mai eficiente căi de conectare a surselor alimentare. În web cosmic, creșterea structurii produce rețele care sunt, de asemenea, într-un anumit sens, optime. Procesele de bază sunt diferite, dar produc structuri matematice analoge. "
Dar, deși este convingător, mucegaiul de soare a fost doar o reprezentare vizuală a structurii la scară largă. Echipa nu s-a oprit acolo. Au perfecționat algoritmul și au făcut teste suplimentare pentru a încerca să-și valideze modelul.
Aici intră în poveste Dark Matter. Într-un fel, structura pe scară largă a Universului este distribuția pe scară largă a materiei întunecate. Galaxiile se formează în halos masiv de materie întunecată, cu structuri filamentare lungi care le leagă. Materia întunecată cuprinde aproximativ 85% din materia din Univers, iar atracția gravitațională a tot ceea ce întinde Materia Întunecată modelează distribuția materiei „obișnuite”.
Echipa de cercetători a pus mâna pe un catalog cu halos de materii întunecate dintr-o altă simulare științifică. Apoi au folosit algoritmul lor bazat pe mucegai cu aceste date, pentru a vedea dacă acesta poate reproduce rețeaua de filamente care conectează toate acele halos. Rezultatul a fost o corelație foarte strânsă cu simularea inițială.
„Începând cu 450.000 de halouri de materii întunecate, putem obține o perfectă potrivire cu câmpurile de densitate din simularea cosmologică”, a spus Elek în comunicatul de presă.
Algoritmul mucegaiului mul a replicat rețeaua filamentală, iar cercetătorii au folosit aceste rezultate pentru a-și regla mai mult algoritmul.
În acel moment, echipa a avut o predicție a structurii structurii la scară largă și a pânzei cosmice care conectează totul. Următorul pas a fost să îl comparăm cu un set diferit de date observaționale. Pentru aceasta, s-au dus la venerabilul Telescop spațial Hubble. Spectrograful Cosmic Origins al telescopului (COS) studiază structura pe scară largă a Universului prin spectroscopie de gaz intergalactic. Acest gaz nu emite nicio lumină proprie, astfel încât spectroscopia este esențială. În loc să se concentreze asupra gazului în sine, COS studiază lumina de la cvasarele îndepărtate pe măsură ce trece prin gaz și modul în care gazul intergalactic afectează acea lumină.
„Știam unde ar trebui să fie filamentele pânzei cosmice, mulțumită mucegaiului, astfel încât să putem merge la spectrele Hubble arhivate pentru cvasarii care sondează acel spațiu și să caute semnăturile gazului”, a explicat Burchett. „Oriunde am văzut un filament în modelul nostru, spectrele Hubble au arătat un semnal de gaz, iar semnalul a devenit mai puternic spre mijlocul filamentelor unde gazul ar trebui să fie mai dens.”
Asta necesită o altă Eureka.
„Pentru prima dată acum, putem cuantifica densitatea mediului intergalactic de la periferia îndepărtată a filamentelor cosmice web până la interioarele calde și dense ale ciorchinilor de galaxie”, a spus Burchett. „Aceste rezultate nu numai confirmă structura pânzei cosmice prevăzută de modelele cosmologice, ci ne oferă o modalitate de a îmbunătăți înțelegerea noastră despre evoluția galaxiilor prin conectarea acesteia cu rezervoarele de gaz din care formează galaxiile.”
Acest studiu arată ce se poate realiza atunci când diferiți cercetători ies din silozurile lor și cooperează prin diferite discipline. Cosmologia, astronomia, programarea computerului, biologia și chiar arta, toate au contribuit la acest rezultat cel mai interesant.
„Cred că pot exista oportunități reale atunci când integrezi artele în cercetarea științifică”, a declarat co-autorul Angus Forbes, de la laboratorul de codificare creativă UCSC. „Abordări creative ale modelării și vizualizării datelor pot duce la perspective noi care ne ajută să înțelegem sisteme complexe.”
Mai Mult:
- Comunicat de presă: Astronomii folosesc modelul de mucegai slime pentru a dezvălui fire întunecate ale pânzei cosmice
- Document de cercetare: descoperirea firelor întunecate ale Web Cosmic
- Revista spațială: Noua hartă tridimensională prezintă structuri de scară largă în univers, în urmă cu 9 miliarde de ani
