Hmota ve vesmíru není rovnoměrně distribuována. Převládají super klastry a nekonečná vlákna, která je spojují dohromady, obklopená obrovskými dutinami. Super klastry galaxií jsou na vrcholu hierarchie. Uvnitř je všechno ostatní: galaxiové skupiny a klastry, jednotlivé galaxie a sluneční soustavy. Tato hierarchická struktura se nazývá „Kosmický web“.
Ale jak a proč vesmír vznikl v této podobě?
Tým astronomů a počítačových vědců na University of California v Santa Cruz zaujal zajímavý přístup k tomu, aby to zjistil. Postavili počítačový model založený na růstových vzorcích slizových forem. Není to poprvé, kdy slizové formy pomohly vysvětlit jiné vzory v přírodě.
Tým zveřejnil studii, v níž uvedl své výsledky nazvané „Odhalení temných nití kosmického webu“. Vedoucím autorem je Joseph Burchett, postdoktorandský vědec z astronomie a astrofyziky na UC Santa Cruz. Studie byla zveřejněna v The Astrophysical Journal Letters.
Moderní kosmologická teorie předpovídá, že hmota bude mít podobu těchto super-klastrů a nekonečných vláken a obrovských dutin, které je oddělují. Až do 80. let však vědci mysleli, že klastry galaxií jsou největší strukturou, a také si mysleli, že tyto klastry byly rovnoměrně rozmístěny po celém vesmíru.
Poté byly objeveny super-klastry. Pak skupiny kvasarů. Na to šlo, s více a více objevy struktur a dutin. Pak přišel Sloanský digitální průzkum oblohy a obrovská 3D mapa vesmíru a další úsilí, jako je simulace tisíciletí.
Vlákna hmoty, která spojují všechny tyto super-klastry a skupiny galaxií, jsou těžko vidět. Z velké části je to jen rozptýlený vodík. Astronomové se jí však podařilo zahlédnout.
Zadejte slizovou formu. Plísňové formy jsou jednobuněčné organismy, které dokonale žijí jako jednotlivé buňky, ale také autonomně vytvářejí agregované vícebuněčné struktury. Když je jídlo hojné, jednají osamoceně, ale když je jídlo vzácnější, spojí se. V kolektivním stavu dokážou lépe detekovat chemikálie, hledat jídlo a mohou dokonce vytvářet stonky, které produkují spory.
Slizové formy jsou pozoruhodná stvoření a vědci byli zmateni a fascinováni schopností této bytosti „vytvářet optimální distribuční sítě a řešit výpočetně obtížné problémy s prostorovou organizací“, jak uvádí tisková zpráva. V roce 2018 japonští vědci uvedli, že slizovka dokázala replikovat rozložení tokijského železničního systému.
Oskar Elek je postdoktorandský výzkumný pracovník v oblasti výpočetních médií na U of C v Santa Cruz. Navrhoval vést autora Josepha Burchetta, že slizové formy mohou napodobit kosmické rozložení hmoty a poskytnout způsob, jak si jej vizualizovat.
Burchett byl zpočátku skeptický.
"Byl to jakýsi okamžik Eureka a já jsem byl přesvědčen, že model slizové formy byl pro nás cesta vpřed."
Joseph Burchett, vedoucí autor. U C, Santa Cruz.
Na základě 2-D inspirace z uměleckého světa, Elek a další programátor vytvořili 3-D algoritmus chování slizové formy, který nazývají strojem Monte Carlo Physarum. Physarum je modelový organismus používaný ve všech druzích výzkumu.
Burchett se rozhodl dát Elek data ze Sloan Digital Sky Survey, která obsahovala 37 000 galaxií a jejich distribuci ve vesmíru. Když spustili algoritmus slizové formy, výsledkem bylo „docela přesvědčivé znázornění kosmického webu“.
"Byl to jakýsi okamžik Eureka a já jsem byl přesvědčen, že model slizové formy byl pro nás cesta vpřed," řekl Burchett. "Je to trochu náhodné, že to funguje, ale ne úplně." Forma slizu vytváří optimalizovanou dopravní síť a nachází nejúčinnější cesty pro připojení zdrojů potravin. V kosmickém webu vytváří růst struktury sítě, které jsou v jistém smyslu také optimální. Základní procesy jsou různé, ale vytvářejí matematické struktury, které jsou analogické. “
Ale i když je to přesvědčivé, slizová forma byla pouze vizuální reprezentací struktury velkého měřítka. Tým se tam nezastavil. Vylepšili algoritmus a provedli další testy, aby se pokusili ověřit jejich model.
Zde vstupuje do příběhu Dark Matter. Jedním způsobem je struktura vesmíru ve velkém měřítku distribuce Dark Matter ve velkém měřítku. Galaxie se tvoří v mohutných haloch temné hmoty, s dlouhými vláknovými strukturami, které je spojují. Temná hmota zahrnuje asi 85% hmoty ve vesmíru a gravitační tah všeho, co temná hmota formuje distribuci „normální“ hmoty.
Tým vědců se zmocnil katalogu halos temné hmoty z jiné vědecké simulace. Pak s těmito daty spustili svůj algoritmus založený na slizové formě, aby zjistili, zda by mohl replikovat síť vláken propojujících všechny tyto halos. Výsledkem byla velmi těsná korelace s původní simulací.
"Počínaje 450 000 svatozářů temné hmoty se můžeme téměř dokonale přizpůsobit hustotním polím v kosmologické simulaci," řekl Elek v tiskové zprávě.
Algoritmus slizové formy replikoval filamentální síť a vědci tyto výsledky použili k dalšímu doladění jejich algoritmu.
V tomto okamžiku tým disponoval predikcí struktury rozsáhlé struktury a kosmického webu spojujícího vše. Dalším krokem bylo porovnání s jiným souborem pozorovacích dat. Za tímto účelem šli ke ctihodnému Hubbleovu kosmickému dalekohledu. Kosmický Origins Spectrograph (COS) tohoto dalekohledu studuje strukturu vesmíru ve velkém měřítku pomocí spektroskopie intergalaktického plynu. Tento plyn nevydává žádné své vlastní světlo, takže spektroskopie je klíčová. Spíše než se zaměřuje na samotný plyn, COS studuje světlo ze vzdálených kvasarů, když prochází plynem, a jak intergalaktický plyn ovlivňuje toto světlo.
"Věděli jsme, kde by vlákna kosmického rouna měla být díky slizové formě, takže bychom mohli jít do archivovaného Hubbleova spektra pro kvasary, které prozkoumávají tento prostor a hledají podpisy plynu," vysvětlil Burchett. "Kamkoli jsme v našem modelu viděli vlákno, Hubbleova spektra ukázala signál plynu a signál zesílil směrem ke středu vláken, kde by měl být plyn hustší."
To vyžaduje další Eureka.
"Poprvé nyní můžeme kvantifikovat hustotu intergalaktického média od vzdálených okrajů vláken kosmického rouna po horké a husté interiéry shluků galaxií," řekl Burchett. "Tyto výsledky nejen potvrzují strukturu kosmického webu předpovídaného kosmologickými modely, ale také nám dávají způsob, jak zlepšit naše porozumění evoluci galaxie jejím propojením s plynovými zásobníky, z nichž se formují galaxie."
Tato studie ukazuje, čeho lze dosáhnout, když různí vědci vyjdou ze svých sil a budou spolupracovat v různých oborech. K tomuto nejzajímavějšímu výsledku přispěly kosmologie, astronomie, počítačové programování, biologie a dokonce i umění.
"Myslím, že při integraci umění do vědeckého výzkumu mohou existovat skutečné příležitosti," řekl spoluautor Angus Forbes z laboratoře Creative Coding Laboratory. „Kreativní přístupy k modelování a vizualizaci dat mohou vést k novým perspektivám, které nám pomohou pochopit složité systémy.“
Více:
- Tisková zpráva: Astronomové používají model sliznice k odhalení tmavých vláken kosmického webu
- Výzkumná kniha: Odhalení temných nití kosmického webu
- Space Magazine: Nová trojrozměrná mapa ukazuje rozsáhlé struktury ve vesmíru 9 miliard let
