Материя во Вселенной не распределена одинаково. В нем преобладают супергруппы и нити материи, которые связывают их вместе, окруженные огромными пустотами. Галактические сверхскопления находятся на вершине иерархии. Внутри них есть все остальное: галактические группы и скопления, отдельные галактики и солнечные системы. Эта иерархическая структура называется «Космическая паутина».
Но как и почему Вселенная приняла эту форму?
Команда астрономов и компьютерных специалистов из Калифорнийского университета в Санта-Крузе предприняла интересный подход, чтобы выяснить это. Они построили компьютерную модель, основанную на моделях роста форм слизи. Это не первый случай, когда формы слизи помогают объяснить другие закономерности в природе.
Команда опубликовала исследование с изложением своих результатов под названием «Выявление темных нитей космической паутины». Ведущий автор - Джозеф Бурчетт, постдокторский исследователь в области астрономии и астрофизики в Калифорнийском университете в Санта-Круз. Исследование было опубликовано в журнале Astrophysical Journal Letters.
Современная космологическая теория предсказывает, что материя примет форму этих сверхскоплений и нитей, а также огромных пустот, которые разделяют их. Но вплоть до 1980-х годов ученые считали, что скопления галактик являются самой большой структурой, и они также думали, что эти скопления были равномерно распределены по всей Вселенной.
Затем были обнаружены суперкластеры. Затем группы квазаров. На это пошло все больше открытий структур и пустот. Затем последовали Слоанское цифровое небесное обозрение и огромная трехмерная карта Вселенной, а также другие усилия, такие как «Моделирование тысячелетия».
Нити материи, которые соединяют все эти супергруппы и группы галактик, трудно увидеть. По большей части это просто диффузный водород. Но астрономам удалось мельком увидеть это.
Введите форму слизи. Плесень слизи - это одноклеточные организмы, которые прекрасно живут как отдельные клетки, но также автономно образуют совокупные многоклеточные структуры. Когда пищи много, они действуют в одиночку, но когда пищи становится меньше, они объединяются. В коллективном состоянии они лучше обнаруживают химические вещества, находят пищу и даже могут образовывать стебли, которые производят споры.
Формы слизи - замечательные существа, и ученые были озадачены и заинтригованы способностью существа «создавать оптимальные распределительные сети и решать вычислительно сложные задачи пространственной организации», как говорится в пресс-релизе. В 2018 году японские ученые сообщили, что слизистая плесень была в состоянии воспроизвести макет железнодорожной системы Токио.
Оскар Элек - постдокторский исследователь в вычислительной среде в Калифорнии, Санта-Круз. Он предложил ведущему автору Джозефу Берчетту, чтобы формы слизи могли имитировать космическое распределение вещества и обеспечивать способ его визуализации.
Первоначально Бурчетт был настроен скептически.
«Это был своего рода момент Эврики, и я убедился, что модель слизистой формы была для нас шагом вперед».
Джозеф Бурчетт, ведущий Автор. U C, Санта-Круз.
Опираясь на 2-D вдохновение из мира искусства, Элек и еще один программист создали 3-D алгоритм поведения формы слизи, который они называют машиной Монте-Карло Physarum. Физарум - это модельный организм, используемый во всех видах исследований.
Бурчетт решил предоставить данные Elek из Sloan Digital Sky Survey, которые содержали 37 000 галактик и их распределение в космосе. Когда они запустили алгоритм формирования слизи, результатом было «довольно убедительное представление о космической паутине».
«Это был своего рода момент Эврики, и я убедился, что модель слизистых оболочек - это путь вперед», - сказал Бурчетт. «Это несколько случайно, что это работает, но не полностью. Форма слизи создает оптимизированную транспортную сеть, находя наиболее эффективные пути для соединения источников пищи. В космической сети рост структуры создает сети, которые также, в некотором смысле, являются оптимальными. Основные процессы разные, но они создают математические структуры, которые аналогичны ».
Но даже несмотря на то, что это было убедительно, форма слизи была просто визуальным представлением крупномасштабной структуры. Команда не остановилась на этом. Они усовершенствовали алгоритм и провели дополнительные тесты, чтобы попытаться проверить свою модель.
Это где Dark Matter входит в историю. С одной стороны, крупномасштабная структура Вселенной - это крупномасштабное распределение Темной Материи. Галактики образуют массивные ореолы Темной Материи с длинными нитевидными структурами, соединяющими их. Темная Материя составляет около 85% материи во Вселенной, и гравитационное притяжение всего этого Темной Материи формирует распределение «правильной» материи.
Команда исследователей получила каталог ореолов темной материи из другого научного моделирования. Затем они запустили алгоритм, основанный на слизи, с этими данными, чтобы посмотреть, сможет ли он воспроизвести сеть нитей, соединяющих все эти гало. Результатом стала очень тесная корреляция с исходной симуляцией.
«Начиная с 450 000 ореолов темной материи, мы можем получить почти идеальное соответствие полям плотности при космологическом моделировании», - сказал Элек в пресс-релизе.
Алгоритм образования слизи копировал нитевидную сеть, и исследователи использовали эти результаты для дальнейшей настройки своего алгоритма.
На тот момент команда обладала предсказанием структуры крупномасштабной структуры и космической паутины, соединяющей все. Следующим шагом было сравнение его с другим набором данных наблюдений. Для этого они отправились в достопочтенный космический телескоп Хаббла. Спектрограф Cosmic Origins Spectrograph (COS) этого телескопа изучает крупномасштабную структуру Вселенной с помощью спектроскопии межгалактического газа. Этот газ не излучает никакого собственного света, поэтому спектроскопия является ключевой. Вместо того, чтобы сосредоточиться на самом газе, COS изучает свет от далеких квазаров, когда он проходит через газ, и как межгалактический газ воздействует на этот свет.
«Мы знали, где должны находиться нити космической сети, благодаря плесени слизи, поэтому мы могли перейти к архивным спектрам Хаббла для квазаров, которые исследуют это пространство и ищут сигнатуры газа», - объяснил Бурчетт. «Везде, где мы видели нить накала в нашей модели, спектры Хаббла показывали сигнал газа, а сигнал становился сильнее к середине нити, где газ должен быть плотнее».
Это требует другого Эврика.
«Впервые мы можем количественно определить плотность межгалактической среды от удаленных окраин волокон космической паутины до горячих, плотных внутренних областей скоплений галактик», - сказал Бурчетт. «Эти результаты не только подтверждают структуру космической сети, предсказанную космологическими моделями, но и дают нам возможность улучшить наше понимание эволюции галактики, связав ее с газовыми резервуарами, из которых образуются галактики».
Это исследование показывает, чего можно достичь, когда разные исследователи выходят из своих силосов и сотрудничают в разных дисциплинах. Космология, астрономия, компьютерное программирование, биология и даже искусство способствовали этому наиболее интересному результату.
«Я думаю, что могут быть реальные возможности, когда вы интегрируете искусство в научные исследования», - сказал соавтор Ангус Форбс из лаборатории UCSC Creative Coding. «Творческие подходы к моделированию и визуализации данных могут привести к новым перспективам, которые помогут нам разобраться в сложных системах».
Больше:
- Пресс-релиз: Астрономы используют модель слизи, чтобы выявить темные нити космической паутины
- Научно-исследовательская работа: выявление темных нитей космической сети
- Space Magazine: новая трехмерная карта показывает крупномасштабные структуры во Вселенной 9 миллиардов лет назад
