Hmota vo vesmíre nie je rozdelená rovnako. Dominujú mu superklastre a vlákna, ktoré ich navzájom spájajú, obklopené obrovskými dutinami. Superklasty galaxií sú na vrchole hierarchie. Vo vnútri je všetko ostatné: galaktické skupiny a zoskupenia, jednotlivé galaxie a solárne systémy. Táto hierarchická štruktúra sa nazýva „Kozmický web“.
Ale ako a prečo vznikol vesmír?
Tím astronómov a počítačových vedcov z University of California v Santa Cruz zaujal k tomu zaujímavý prístup. Postavili počítačový model založený na rastových vzoroch slizových foriem. Nie je to prvýkrát, čo sliznice pomohli vysvetliť iné vzory v prírode.
Tím zverejnil štúdiu, v ktorej načrtol svoje výsledky s názvom „Odhalenie temných nití kozmického webu“. Vedúcim autorom je Joseph Burchett, postdoktorandský vedec v astronómii a astrofyzike na UC Santa Cruz. Štúdia bola uverejnená v The Astrophysical Journal Letters.
Moderná kozmologická teória predpovedá, že hmota bude mať podobu týchto super-zhlukov a vlákien a obrovských dutín, ktoré ich oddeľujú. Až do osemdesiatych rokov však vedci mysleli, že klastre galaxií sú najväčšou štruktúrou, a tiež si mysleli, že tieto klastre boli rovnomerne rozložené po celom vesmíre.
Potom boli objavené super-zhluky. Potom skupiny kvázarov. Pokračovalo to s čoraz viac objavmi štruktúr a dutín. Potom prišiel Sloanský digitálny prieskum oblohy a obrovská 3D mapa vesmíru a ďalšie snahy, ako napríklad simulácia tisícročia.
Vlákna hmoty, ktoré spájajú všetky tieto super-zhluky a skupiny galaxií, je ťažké vidieť. Z veľkej časti ide iba o difúzny vodík. Astronómom sa však podarilo zahliadnuť.
Zadajte sliznicu. Plesňové huby sú jednobunkové organizmy, ktoré dokonale žijú ako jednotlivé bunky, ale tiež autonómne vytvárajú agregované viacbunkové štruktúry. Keď je jedlo dosť, konajú osamote, ale keď je jedlo menej, spája sa spolu. V kolektívnom stave dokážu lepšie odhaľovať chemikálie, vyhľadávať jedlo a môžu dokonca vytvárať stonky, ktoré produkujú spóry.
Formy slizu sú pozoruhodné bytosti a vedci boli zmätení a zaujatí ich schopnosťou „vytvárať optimálne distribučné siete a riešiť výpočtovo náročné problémy priestorovej organizácie“, ako uvádza tlačová správa. V roku 2018 japonskí vedci uviedli, že slizovka dokázala napodobniť rozloženie tokijského železničného systému.
Oskar Elek je postdoktorandským výskumným pracovníkom v oblasti výpočtových médií na U of C v Santa Cruz. Navrhol, aby sa viedol autor Joseph Burchett, že sliznice môžu napodobňovať kozmické rozloženie hmoty a poskytnúť spôsob, ako ju vizualizovať.
Burchett bol spočiatku skeptický.
"Bol to akýsi moment Eureka a bol som presvedčený, že model formy slizu pre nás predstavuje cestu vpred."
Joseph Burchett, hlavný autor. U z C, Santa Cruz.
Elek a ďalší programátor čerpali z dvojdňovej inšpirácie z umeleckého sveta a vytvorili trojrozmerný algoritmus správania sa v slizoch, ktorý nazývajú stroj Physarum Monte Carlo. Physarum je modelový organizmus používaný vo všetkých druhoch výskumu.
Burchett sa rozhodol poskytnúť Elek údaje zo Sloan Digital Sky Survey, ktoré obsahovali 37 000 galaxií a ich distribúciu vo vesmíre. Keď spustili algoritmus slizovej formy, výsledkom bolo „celkom presvedčivé zobrazenie kozmického webu“.
"Bol to akýsi moment Eureka a ja som bol presvedčený, že model formy slizu pre nás predstavuje cestu vpred," uviedol Burchett. „Je to trochu náhodné, že to funguje, ale nie úplne. Hlienovitá forma vytvára optimalizovanú dopravnú sieť a nachádza najúčinnejšie cesty na pripojenie zdrojov potravy. V kozmickom webe rast štruktúry vytvára siete, ktoré sú v istom zmysle tiež optimálne. Základné procesy sú rôzne, ale vytvárajú matematické štruktúry, ktoré sú analogické. “
Ale aj keď je to presvedčivé, forma slizu bola len vizuálnym znázornením štruktúry veľkého rozsahu. Tím sa tam nezastavil. Vylepšili algoritmus a vykonali ďalšie testy, aby sa pokúsili overiť svoj model.
Tu vstupuje do príbehu Dark Matter. Jedným spôsobom je veľkoplošnou štruktúrou Vesmíru rozsiahle rozdelenie Temnej hmoty. Galaxie sa tvoria v mohutných haloch temnej hmoty, s dlhými vláknovými štruktúrami, ktoré ich spájajú. Temná hmota obsahuje asi 85% hmoty vo vesmíre a gravitačná sila všetkej tejto temnej hmoty ovplyvňuje distribúciu „bežnej“ hmoty.
Tím vedcov získal ďalšiu vedeckú simuláciu katalógom halónov temnej hmoty. Potom s týmito údajmi spustili svoj algoritmus založený na slizovej forme, aby zistili, či by to mohlo replikovať sieť vlákien spájajúcich všetky tieto halogény. Výsledkom bola veľmi tesná korelácia s pôvodnou simuláciou.
„Počnúc 450 000 halogénmi tmavej hmoty môžeme takmer dokonale zapadnúť do polí hustoty pri kozmologickej simulácii,“ uviedol Elek v tlačovej správe.
Algoritmus slizovej formy replikoval vláknovú sieť a vedci použili tieto výsledky na ďalšie doladenie svojho algoritmu.
V tom okamihu mal tím predikciu štruktúry rozsiahlej štruktúry a kozmického webu spájajúceho všetko. Ďalším krokom bolo porovnanie s iným súborom pozorovacích údajov. Z tohto dôvodu išli do ctihodného Hubbleovho vesmírneho teleskopu. Spektrograf Cosmic Origins Spectrograph (COS) tohto ďalekohľadu skúma štruktúru vesmíru vo veľkom meradle prostredníctvom spektroskopie intergalaktického plynu. Tento plyn nevyžaruje žiadne svoje vlastné svetlo, takže spektroskopia je kľúčová. Skôr než sa zameriava na samotný plyn, COS skúma svetlo zo vzdialených kvasarov, keď prechádza plynom, a ako intergalaktický plyn ovplyvňuje toto svetlo.
"Vedeli sme, kde by vlákna kozmického webu mali byť vďaka sliznici, takže by sme mohli ísť do archivovaných Hubbleových spektier pre kvasary, ktoré skúmajú tento priestor a hľadajú podpisy plynu," vysvetlil Burchett. "Kdekoľvek sme v našom modeli videli vlákno, Hubbleove spektrá ukázali signál plynu a signál sa zosilnil smerom k stredu vlákien, kde by mal byť plyn hustejší."
Vyžaduje si to ďalšiu Eureka.
"Prvýkrát môžeme kvantifikovať hustotu intergalaktického média od vzdialených okrajov vlákien kozmického tkaniva po horúce a husté interiéry zhlukov galaxií," uviedol Burchett. „Tieto výsledky nielen potvrdzujú štruktúru kozmického webu predpovedanú kozmologickými modelmi, ale tiež nám dávajú spôsob, ako zlepšiť naše chápanie evolúcie galaxie jej prepojením s plynovými nádržami, z ktorých sa formujú galaxie.“
Táto štúdia ukazuje, čo sa dá dosiahnuť, keď rôzni vedci vychádzajú zo svojich síl a spolupracujú prostredníctvom rôznych disciplín. K tomuto najzaujímavejšiemu výsledku prispeli kozmológia, astronómia, počítačové programovanie, biológia a dokonca aj umenie.
„Myslím si, že pri integrácii umenia do vedeckého výskumu môžu existovať skutočné príležitosti,“ uviedol spoluautor Angus Forbes z laboratória kreatívneho kódovania UCSC. „Kreatívne prístupy k modelovaniu a vizualizácii údajov môžu viesť k novým perspektívam, ktoré nám pomôžu pochopiť zložité systémy.“
Viac:
- Tlačová správa: Astronómovia používajú model sliznice na odhalenie tmavých nití kozmického webu
- Výskumná kniha: Odhalenie temných nití kozmického webu
- Space Magazine: Nová trojrozmerná mapa zobrazuje rozsiahle štruktúry vo vesmíre vo veku 9 miliárd rokov
