Материја у Универзуму није распоређена подједнако. У њему доминирају супер-кластери и влакна материје која их спајају окружени огромним празнинама. Супер-кластери Галакија су на врху хијерархије. Унутар њих је све остало: галаксије и кластери, појединачне галаксије и соларни систем. Ова хијерархијска структура се назива „космичка мрежа“.
Али како и зашто је Универзум попримио овај облик?
Тим астронома и рачунарских научника са Универзитета у Калифорнији Санта Цруз користио је занимљив приступ како да то схвате. Изградили су компјутерски модел заснован на обрасцима раста калупа за муљање. Ово није први пут да су калупе за слуз помогле објаснити друге обрасце у природи.
Тим је објавио студију у којој је изнео своје резултате под називом „Откривање мрачних нити космичке мреже“. Главни аутор је Јосепх Бурцхетт, постдокторски истраживач астрономије и астрофизике у УЦ Санта Цруз. Студија је објављена у Тхе Астропхисицал Јоурнал Леттерс.
Савремена космолошка теорија предвиђа да ће материја попримити облик ових супер-накупина и нити и огромних празнина које их раздвајају. Али све до 1980-их, научници су сматрали да су кластери галаксија највећа структура, а они су такође мислили да су ти кластери равномерно распоређени по свемиру.
Тада су откривени супер-кластери. Затим групе квазара. Кренуло је то, са све више открића структура и празнина. Затим је уследила Слоан дигитална анкета о небу и огромна 3Д мапа свемира, и други напори попут симулације миленијума.
Власти материје које спајају све ове супер-кластере и групе галаксија тешко је видети. У највећем делу, то је само дифузни водоник. Али астрономи су успели да га примете.
Унесите калуп за слуз. Калупи слузи су једноцелични организми који савршено лепо живе као појединачне ћелије, али такође аутономно формирају агрегате вишећелијских структура. Кад хране има у изобиљу, они делују сами, али када је храна оскуднија, они се удружују. У колективном стању су бољи у откривању хемикалија, проналажењу хране и чак могу формирати стабљике које производе споре.
Калупи слузи су изванредна створења, а научнике је збуњивала и заинтригирала способност бића да „ствара оптималне дистрибутивне мреже и решава рачунарски тешке проблеме просторне организације“, каже се у саопштењу за јавност. У 2018. години, јапански научници известили су да је калуп за слуз могао поновити изглед токијског железничког система.
Оскар Елек је постдокторски истраживач рачунарских медија на УЦ-у, Санта Цруз. Предложио је водитељу Јосепха Бурцхетта да калупе из слузи могу да опонашају космичку расподјелу материје и пруже начин да се она визуелно представи.
Бурцхетт је у почетку био скептичан.
"То је био некакав Еурека тренутак, и ја сам се увјерио да је модел калупа за нас прави пут за нас."
Јосепх Бурцхетт, главни аутор. У граду Ц, Санта Цруз.
Црпећи двосмерну инспирацију из света уметности, Елек и други програмер креирали су 3-Д алгоритам понашања калупа за слузавце који називају Монте Царло Пхисарум Мацхине. Пхисарум је моделни организам који се користи у свим врстама истраживања.
Бурцхетт је одлучио дати Елекове податке из Слоан Дигитал Ски Сурвеи-а који је садржавао 37.000 галаксија и њихову дистрибуцију у свемиру. Када су покренули алгоритам калупа за слуз, резултат је био „прилично убедљива репрезентација космичке мреже“.
"То је био некакав Еурека тренутак, и ја сам се увјерио да је модел калупа за нас прави пут према напријед", рекао је Бурцхетт. „То је помало случајно да делује, али не у потпуности. Калуп за слуз ствара оптимизовану транспортну мрежу, проналазећи најефикасније путеве за повезивање извора хране. У космичком вебу раст структуре производи мреже које су, такође, у одређеном смислу оптималне. Основни процеси су различити, али они производе математичке структуре које су аналогне. "
Али иако је упечатљив, калуп за слуз био је само визуелни приказ структуре великих размера. Тим се ту није зауставио. Прочистили су алгоритам и урадили додатне тестове како би покушали да потврде свој модел.
Овде Дарк Маттер улази у причу. На један начин, структура свемира великих размера је дистрибуција Мрачне материје великих размера. Галаксије се формирају у огромним ореолима Тамне материје, са дугим влакнастим структурама које их спајају. Тамна материја чини око 85% материје у Универзуму, а гравитационо повлачење свега што Тамна материја обликује дистрибуцију „регуларне“ материје.
Тим истраживача прибавио је каталог ореола тамне материје из друге научне симулације. Потом су покренули свој алгоритам заснован на калупу са тим подацима и видели да ли може копирати мрежу нити која повезује све те ореолице. Резултат је била врло уска корелација са оригиналном симулацијом.
"Полазећи од 450.000 ореола тамне материје, можемо добити скоро савршено прилагођавање пољима густине у космолошкој симулацији", рекао је Елек у саопштењу за штампу.
Алгоритам клизног калупа реплицирао је нитну мрежу, а истраживачи су те резултате користили како би још више прецизирали свој алгоритам.
У том тренутку, тим је имао предвиђање структуре структуре великих размера и космичке мреже која повезује све. Следећи корак је био упоређивање са различитим низом података посматрања. Због тога су отишли до часног свемирског телескопа Хуббле. Спектрограф космичког порекла тог телескопа (ЦОС) проучава структуру свемира великих размера помоћу спектроскопије интергалактичког гаса. Тај гас не емитује никакву светлост, па је спектроскопија кључна. Уместо да се фокусира на сам гас, ЦОС проучава светлост из удаљених квазара док пролази кроз гас и како интергалактички гас утиче на ту светлост.
"Знали смо где влакна космичког сплета треба да буду захваљујући калупу за слуз, тако да смо могли да одемо до архивираног Хуббле спектра за квазаре који истражују тај простор и тражимо потписе гаса", објаснио је Бурцхетт. „Где год смо видели филамент у нашем моделу, Хуббле-ови спектри су показали гасни сигнал, а сигнал је постајао све јачи према средини нити, где би гас требао бити гушћи.“
То захтева другу Еуреку.
"Сада по први пут можемо квантификовати густину интергалактичког медијума из удаљених периферија космичких мрежних нити до врућих, густих унутрашњости кластера галаксија", рекао је Бурцхетт. "Ови резултати не само да потврђују структуру космичке мреже коју предвиђају космолошки модели, већ нам дају и начин да побољшамо наше разумевање еволуције галаксије повезујући је са резервоарима гаса из којих излазе галаксије."
Ова студија показује шта се може постићи када различити истраживачи изађу из својих силоса и сарађују кроз различите дисциплине. Козмологија, астрономија, рачунарски програмирање, биологија, па чак и уметност, допринели су овом најзанимљивијем исходу.
„Мислим да могу постојати стварне могућности када интегришете уметност у научно истраживање“, рекао је коаутор Ангус Форбес из УЦСЦ лабораторије за креативно кодирање. „Креативни приступи моделирању и визуализацији података могу довести до нових перспектива које нам помажу да схватимо сложене системе.“
Више:
- Саопштење за јавност: Астрономи користе модел калупа за слуз како би открили тамне нити космичке мреже
- Истраживачки рад: Откривање мрачних нити космичке мреже
- Свемирски магазин: Нова 3-Д мапа показује велике структуре лествице у свемиру пре 9 милијарди година
