Matter in the Universe distribueras inte lika. Det domineras av superkluster och filamenten av materia som stränger dem samman, omgiven av stora tomrum. Superkluster i Galaxy är högst upp i hierarkin. Inuti dessa finns allt annat: galaxgrupper och kluster, enskilda galaxer och solsystem. Denna hierarkiska struktur kallas "kosmiska webben."
Men hur och varför tog universum denna form?
Ett team av astronomer och datavetare vid University of California Santa Cruz tog ett intressant tillvägagångssätt för att räkna ut det. De byggde en datormodell baserad på tillväxtmönstren för slamformar. Detta är inte första gången som slamformar har bidragit till att förklara andra mönster i naturen.
Teamet har publicerat en studie som beskriver sina resultat med titeln "avslöja de mörka trådarna på den kosmiska webben." Huvudförfattaren är Joseph Burchett, en postdoktor i astronomi och astrofysik vid UC Santa Cruz. Studien publicerades i The Astrophysical Journal Letters.
Den moderna kosmologiska teorin förutspår att materien kommer att ta formen av dessa super-kluster och filament, och de stora tomrum som skiljer dem. Men fram till 1980-talet trodde forskare att galaxkluster var den största strukturen, och de trodde också att dessa kluster var jämnt fördelade över universum.
Sedan upptäcktes superkluster. Sedan grupper av kvasarer. På den gick, med fler och fler upptäckter av strukturer och tomrum. Sedan kom Sloan Digital Sky Survey och en enorm 3D-karta över universum och andra ansträngningar som Millennium Simulation.
Materialfilamenten som förbinder alla dessa super-kluster och grupper av galaxer är svåra att se. För det mesta är det bara diffust väte. Men astronomer har lyckats få glimt av det.
Gå in i slamformen. Slamformar är encelliga organismer som är helt fina som levande som enstaka celler, men som också bildar autonoma aggregerade multicellulära strukturer. När maten är riklig handlar de ensamma, men när maten är mer knapp, kopplar de samman. I det kollektiva tillståndet är de bättre på att upptäcka kemikalier, hitta mat och kan till och med bilda stjälkar som producerar sporer.
Slamformar är anmärkningsvärda varelser, och forskare har blivit förbryllade och fascinerade av varelsens förmåga att "skapa optimala distributionsnätverk och lösa beräkningar svåra rumsliga organisationsproblem", som ett pressmeddelande säger. År 2018 rapporterade japanska forskare att en slamform kunde replikera utformningen av Tokyos järnvägssystem.
Oskar Elek är postdoktor i beräkningsmedia vid U of C, Santa Cruz. Han föreslog att leda författaren Joseph Burchett att slamformar skulle kunna efterlikna den kosmiska fördelningen av materien och ge ett sätt att visualisera det.
Burchett var initialt skeptisk.
"Det var ett slags Eureka-ögonblick, och jag blev övertygad om att slamformmodellen var vägen framåt för oss."
Joseph Burchett, huvudförfattare. U av C, Santa Cruz.
Ele och en annan programmerare skapade en 3-D-algoritm för slamformatbeteende som de kallar Monte Carlo Physarum Machine med hjälp av 2-D-inspiration från konstvärlden. Physarum är en modellorganism som används i all slags forskning.
Burchett beslutade att ge Elek-data från Sloan Digital Sky Survey som innehöll 37 000 galaxer och deras distribution i rymden. När de körde slamformalgoritmen var resultatet "en ganska övertygande representation av den kosmiska webben."
"Det var ett slags Eureka-ögonblick, och jag blev övertygad om att slamformmodellen var vägen framåt för oss," sade Burchett. ”Det är något slumpmässigt att det fungerar, men inte helt. En slamform skapar ett optimerat transportnätverk och hittar de mest effektiva vägarna för att ansluta matkällor. I den kosmiska webben producerar tillväxten av strukturen nätverk som också i en mening är optimala. De underliggande processerna är olika, men de producerar matematiska strukturer som är analoga. ”
Men även om det är övertygande, var slamformen bara en visuell representation av storskalans struktur. Teamet slutade inte där. De förfinade algoritmen och gjorde ytterligare tester för att försöka validera sin modell.
Det är här Dark Matter kommer in i berättelsen. På ett sätt är universums storskaliga struktur storskalig distribution av Dark Matter. Galaxer bildas i massiva glorier av Dark Matter, med långa filamentstrukturer som förbinder dem. Dark Matter utgör ungefär 85% av materien i universum, och gravitationsdragningen av allt som Dark Matter formar fördelningen av "vanlig" materia.
Forskargruppen fick tag på en katalog med mörka ämnen från en annan vetenskaplig simulering. Sedan körde de sin slimmformade baserade algoritm med den informationen för att se om den kunde replikera nätverket av filament som ansluter alla dessa glorier. Resultatet var en mycket snäv korrelation med den ursprungliga simuleringen.
"Från och med 450 000 mörka ämnen, kan vi få en nästan perfekt anpassning till täthetsfälten i den kosmologiska simuleringen," sade Elek i pressmeddelandet.
Slamformalgoritmen replikerade filamentnätverket, och forskarna använde resultaten för att finjustera sin algoritm.
Vid den tiden hade teamet en förutsägelse av strukturen i storskalig struktur och den kosmiska webben som förbinder allt. Nästa steg var att jämföra det med en annan uppsättning observationsdata. För detta gick de till det värdefulla rymdteleskopet Hubble. Det teleskopets Cosmic Origins Spectrograph (COS) studerar universums storskaliga struktur genom spektroskopi av intergalaktisk gas. Den gasen släpper inte ut sitt eget ljus, så spektroskopi är nyckeln. Istället för att fokusera på själva gasen studerar COS ljuset från avlägsna kvasarer när det passerar genom gasen och hur den intergalaktiska gasen påverkar det ljuset.
"Vi visste var filamenten på den kosmiska banan skulle vara tack vare slemformen, så vi kunde gå till de arkiverade Hubble-spektra för kvasarerna som undersöker det utrymmet och letar efter signaturerna på gasen," förklarade Burchett. "Vart vi såg ett filament i vår modell visade Hubble-spektra en gassignal, och signalen blev starkare mot mitten av filamenten där gasen skulle vara tätare."
Det kräver ytterligare en Eureka.
"För första gången kan vi kvantifiera tätheten för det intergalaktiska mediet från de avlägsna utkanten av kosmiska webfilament till de heta, täta interiörerna i galaxkluster," sade Burchett. "Dessa resultat bekräftar inte bara strukturen på den kosmiska webben som förutses av kosmologiska modeller, de ger oss också ett sätt att förbättra vår förståelse för galaxutvecklingen genom att ansluta den till gasbehållarna som galaxer bildas från."
Denna studie visar vad som kan uppnås när olika forskare kommer ut ur sina silor och samarbetar genom olika discipliner. Kosmologi, astronomi, datorprogrammering, biologi och till och med konst bidrog till detta mest intressanta resultat.
"Jag tror att det kan finnas verkliga möjligheter när du integrerar konsten i vetenskaplig forskning," sa medförfattaren Angus Forbes från UCSC Creative Coding lab. "Kreativa metoder för modellering och visualisering av data kan leda till nya perspektiv som hjälper oss att känna till komplexa system."
Mer:
- Pressmeddelande: Astronomer använder modell för slamform för att avslöja mörka trådar på den kosmiska banan
- Forskningsdokument: avslöja de mörka trådarna på den kosmiska webben
- Rymdmagasin: Ny 3D-karta visar stora skalkonstruktioner i universum 9 miljarder år sedan
