Az univerzumban az anyag nem oszlik meg egyenlően. A szuperklaszterek és az anyagszálak dominálják, amelyek összefűzik őket, hatalmas üregek veszik körül. A galaxis szuperklaszterek a hierarchia tetején vannak. Ezen belül minden más: galaxiscsoportok és klaszterek, egyes galaxisok és a Naprendszerek. Ezt a hierarchikus struktúrát „kozmikus webnek” hívják.
De hogyan és miért alakult az univerzum ilyen formában?
A Kaliforniai Santa Cruz Egyetem csillagászai és számítógépes tudósai egy érdekes megközelítést alkalmaztak a kitalálásra. Építettek egy számítógépes modellt, amely a nyálka formák növekedési mintáin alapszik. Nem ez az első alkalom, hogy a iszapformák segítik a természet más mintáinak magyarázatát.
A csoport tanulmányt tett közzé, amelynek eredményeit felvázolta: „A kozmikus web sötét szálainak feltárása”. A fő szerző Joseph Burchett, az UC Santa Cruz csillagászati és asztrofizikai posztdoktori kutatója. A tanulmányt az Astrophysical Journal Letters című kiadványban tették közzé.
A modern kozmológiai elmélet azt jósolja, hogy az anyag e szuper-klaszterek és szálak, valamint az őket elválasztó hatalmas üregek formájává válik. De a nyolcvanas évekig a tudósok úgy gondolták, hogy a galaxis klaszterek voltak a legnagyobb szerkezetűek, és azt is gondolták, hogy ezek a klaszterek egyenletesen oszlanak el az egész világegyetemben.
Aztán szuper-klasztereket fedeztek fel. Aztán kvazárok csoportjai. Ez tovább ment, a struktúrák és üregek egyre több felfedezésével. Aztán jött a Sloan Digital Sky Survey és egy hatalmas 3D-s térkép az univerzumról, és további erőfeszítések, például a millenniumi szimuláció.
Az anyag szálait, amelyek összekötik ezeket a szuperklasztereket és galaxiscsoportokat, nehéz megfigyelni. Általában ez csak diffúz hidrogén. A csillagászoknak azonban sikerült bepillantaniuk belőle.
Írja be a nyálkahártyát. A iszapformák egysejtű szervezetek, amelyek tökéletesen finom, egyetlen sejtként élnek, de autonóm módon alkotnak aggregált többsejtű struktúrákat. Ha bőséges étel, akkor egyedül cselekszenek, de amikor az étel kevésbé van, összefonódnak. Kollektív állapotban jobban detektálják a vegyi anyagokat, megtalálják az ételt, és akár spórokat előállító szárakat képezhetnek.
A iszapformák figyelemre méltó lények, és a tudósokat zavarba ejtette és érdekli az a képesség, hogy „optimális elosztóhálózatokat hozzanak létre és számítástechnikai szempontból nehéz területi szervezési problémákat oldjanak meg”, mondja egy sajtóközlemény. 2018-ban a japán tudósok arról számoltak be, hogy egy iszapos penész képes megismételni Tokió vasúti rendszerének elrendezését.
Elek Oskar posztdoktori kutató a számítástechnikai média területén a Santa Cruz-i U székhelyén. Javasolta Joseph Burchett írójának, hogy a iszapformák képesek lesznek az anyag kozmikus eloszlását utánozni, és lehetőséget nyújtanak annak megjelenítésére.
Burchett kezdetben szkeptikus volt.
"Ez egy Eureka pillanat volt, és meggyőződtem róla, hogy a nyálkahártya-modell a mi előttünk vezető út."
Joseph Burchett, vezető szerző. C, Santa Cruz.
A művészeti világ kétdimenziós inspirációjára támaszkodva, Elek és egy másik programozó elkészített egy 3D-s algoritmust a nyálkos penész viselkedéséről, amelyet Monte Carlo Physarum gépnek hívnak. A Physarum olyan mintaorganizmus, amelyet mindenféle kutatásban használnak.
Burchett úgy döntött, hogy Eleknek ad adatokat a Sloan Digital Sky Survey felméréséből, amely 37 000 galaxist és azok űrbeli eloszlását tartalmazta. Amikor elkészítették a nyálkos penész algoritmust, az eredmény „a kozmikus háló elég meggyőző ábrázolása” volt.
"Ez volt az EUREKA pillanat, és meggyőződésem volt, hogy a nyálkahártya-modell a mi előttünk vezető út" - mondta Burchett. „Kicsit véletlenszerű, hogy működik, de nem egészen. A nyálka előállítja az optimalizált szállítási hálózatot, és megtalálja a leghatékonyabb utat az élelmiszer-források összekapcsolásához. A kozmikus weben a struktúra növekedése olyan hálózatokat hoz létre, amelyek bizonyos értelemben szintén optimálisak. A mögöttes folyamatok különböznek, de matematikai struktúrákat hoznak létre, amelyek hasonlóak. "
De annak ellenére, hogy kényszerítő, a nyálka penész csak a nagy léptékű szerkezet vizuális ábrázolása volt. A csapat nem állt meg itt. Finomították az algoritmust és további teszteket végeztek a modell validálására.
Itt lép a történetbe a Dark Matter. Egyrészt az univerzum nagy léptékű szerkezete a sötét anyag nagy léptékű eloszlása. A galaxisok a Sötét Anyag hatalmas haloszkáiban alakulnak ki, hosszú fonálszerkezettel összekötve őket. A sötét anyag az univerzum anyagának körülbelül 85% -át teszi ki, és mindazonnak a sötét anyagnak a gravitációs vonzása formálja a „normál” anyag eloszlását.
A kutatók egy másik tudományos szimulációból megszerezték a sötét anyag halóinak katalógusát. Aztán elvégezték a nyálkahártyán alapuló algoritmusukat az adatokkal, hogy megnézhessék, meg tudja-e replikálni az összes halot összekötő filamentumok hálózatát. Az eredmény nagyon szoros korrelációt mutatott az eredeti szimulációval.
"450 000 sötét anyag halóval kezdve szinte tökéletesen illeszkedhetünk a sűrűségmezőkhöz a kozmológiai szimuláció során" - mondta Elek a sajtóközleményben.
A nyálkos penész algoritmus megismételte az izzószálat, és a kutatók ezeket az eredményeket felhasználták az algoritmusuk további finomításához.
Ezen a ponton a csapat megjósolta a nagy léptékű szerkezet szerkezetét és mindent összekötő kozmikus hálót. A következő lépés az volt, hogy összehasonlítsuk más megfigyelési adatokkal. Ezért elmentek a tiszteletre méltó Hubble Űrtávcsőbe. A teleszkóp kozmikus eredetű spektrográfiája (COS) az interlaktikus gáz spektroszkópiájával vizsgálja az univerzum nagy léptékű szerkezetét. Ez a gáz nem bocsát ki saját fényt, tehát a spektroszkópia kulcsfontosságú. Ahelyett, hogy magára a gázra összpontosítana, a COS megvizsgálja a távoli kvazárok fényét, amikor az áthalad a gázon, és hogy az intergalaktikus gáz hogyan befolyásolja ezt a fényt.
"Tudtuk, hogy a nyálkos penésznek köszönhetően a kozmikus háló filamentumoknak kell lenniük, így eljuthattunk az archivált Hubble-spektrumokhoz azon kvazárok számára, amelyek ezt a helyet vizsgálják, és megkeressük a gáz aláírásait" - magyarázta Burchett. "Bárhol is láttunk egy izzószálat a modellünkben, a Hubble-spektrumok gázjelet mutattak, és a jel erősebb lett az izzószálak közepe felé, ahol a gáznak sűrűbbnek kell lennie."
Ez új Eurekát igényel.
"Most először számolhatjuk az intergalaktikus közeg sűrűségét a kozmikus hálószálak távoli szélén a galaxiscsoportok forró, sűrű belső tereivel" - mondta Burchett. "Ezek az eredmények nemcsak a kozmológiai modellek által előre jelzett kozmikus háló szerkezetét erősítik meg, hanem lehetőséget adnak a galaxisok evolúciójának megértésének javítására is, összekapcsolva azokat a gáztartályokkal, amelyekből galaxisok képződnek."
Ez a tanulmány megmutatja, mit lehet elérni, ha különböző kutatók kijönnek silójukból és különböző tudományágakon keresztül működnek együtt. A kozmológia, a csillagászat, a számítógépes programozás, a biológia és még a művészet is mind hozzájárultak ehhez a legérdekesebb eredményhez.
"Úgy gondolom, hogy valódi lehetőségek rejlenek, ha a művészeteket beépítik a tudományos kutatásba" - mondta Angus Forbes társszerző az UCSC Kreatív Kódolás laboratóriumából. "Az adatok modellezéséhez és megjelenítéséhez alkalmazott kreatív megközelítések új perspektívákat eredményezhetnek, amelyek segítenek nekünk a komplex rendszerek értelmezésében."
Több:
- Sajtóközlemény: A csillagászok iszapmintát használnak a kozmikus háló sötét szálainak feltárására
- Kutatási cikk: A kozmikus web sötét szálainak feltárása
- Űrmagazin: Az új háromdimenziós térkép 9 milliárd évvel ezelõtt nagy léptékû struktúrákat mutat az univerzumban
