Materiāls Visumā nav sadalīts vienādi. Tajā dominē superklasteri un matērijas pavedieni, kas tos saista kopā, ieskauj milzīgas tukšības. Galaktiku superklasteri atrodas hierarhijas augšgalā. Tajos ir viss pārējais: galaktiku grupas un kopas, atsevišķas galaktikas un Saules sistēmas. Šo hierarhisko struktūru sauc par “kosmisko Web”.
Bet kā un kāpēc Visums ieguva šo formu?
Kalifornijas Universitātes Santakrusas astronomu un datorzinātnieku komanda izvēlējās interesantu pieeju, lai to izdomātu. Viņi uzcēla datora modeli, kura pamatā bija gļotu veidņu augšanas modeļi. Šī nav pirmā reize, kad gļotu veidnes ir palīdzējušas izskaidrot citus modeļus dabā.
Komanda ir publicējusi pētījumu, kurā aprakstīti viņu rezultāti ar nosaukumu “Kosmiskā tīkla tumšo pavedienu atklāšana”. Galvenais autors ir Džozefs Buršets, pēcdoktorantūras pētnieks astronomijā un astrofizikā UC Santa Krūzā. Pētījums tika publicēts The Astrophysical Journal Letters.
Mūsdienu kosmoloģiskā teorija paredz, ka matērijai būs šo superklasteru un pavedienu un plašo tukšumu forma, kas tos atdala. Bet līdz astoņdesmitajiem gadiem zinātnieki domāja, ka galaktiku kopas ir vislielākā struktūra, un viņi arī domāja, ka šie kopas ir vienmērīgi sadalītas visā Visumā.
Tad tika atklātas superklases. Tad kvazāru grupas. Turpinājās, arvien vairāk atklājot struktūras un tukšumus. Pēc tam nāca Sloan Digital Sky aptauja un milzīga Visuma 3D karte, kā arī citi centieni, piemēram, Tūkstošgades simulācija.
Materiāla pavedieni, kas savieno visus šos galaktiku superklasterus un grupas, ir grūti pamanāmi. Lielākoties tas ir tikai difūzais ūdeņradis. Bet astronomiem ir izdevies pamanīt to.
Ievadiet gļotu veidni. Gļotu veidnes ir vienšūnas organismi, kas lieliski darbojas kā vienšūnas, bet arī autonomi veido apvienotas daudzšūnu struktūras. Kad ēdiena ir daudz, viņi rīkojas atsevišķi, bet, kad ēdiena trūkst, viņi saplūst. Kolektīvā stāvoklī viņi labāk atrod ķīmiskas vielas, atrod pārtiku un pat var veidot kātiņus, kas rada sporas.
Gļotu veidnes ir ievērojamas radības, un zinātnieki ir neizpratnē un aizrāvušies ar radības spēju “izveidot optimālus izplatīšanas tīklus un risināt skaitļošanas ziņā sarežģītas telpiskās organizācijas problēmas”, teikts paziņojumā presei. Japānas zinātnieki 2018. gadā ziņoja, ka gļotas pelējums spēja atkārtot Tokijas dzelzceļa sistēmas izkārtojumu.
Oskars Eleks ir pēcdoktorantūras pētnieks skaitļošanas medijos UC of Santa Cruz. Viņš ieteica vadīt autoru Džozefu Buršettu, ka gļotu veidnes varētu atdarināt matērijas kosmisko sadalījumu un nodrošināt veidu, kā to vizualizēt.
Burchett sākotnēji bija skeptiski noskaņots.
"Tas bija sava veida Eureka brīdis, un es pārliecinājos, ka gļotu veidņu modelis mums bija ceļš uz priekšu."
Džozefs Buršets, galvenais autors. U no C, Santakrusa.
Balstoties uz mākslas pasaules divdimensiju iedvesmu, Eleks un vēl viens programmētājs izveidoja 3-D algoritmu sārņu pelējuma uzvedībai, ko viņi sauc par Monte Carlo Physarum Machine. Physarum ir organisma paraugs, ko izmanto visu veidu pētījumos.
Burchett nolēma sniegt Elek datus no Sloan Digital Sky Survey, kas saturēja 37 000 galaktiku un to izplatību kosmosā. Kad viņi izmantoja sārmu pelējuma algoritmu, rezultāts bija “diezgan pārliecinošs kosmiskā tīkla attēlojums”.
"Tas bija sava veida Eureka brīdis, un es pārliecinājos, ka sārmu veidņu modelis mums bija ceļš uz priekšu," sacīja Buršets. “Tas ir nedaudz nejauši, ka tas darbojas, bet ne pilnībā. Gļotas pelējums rada optimizētu transporta tīklu, atrodot visefektīvākos ceļus pārtikas avotu savienošanai. Kosmiskajā tīklā struktūras pieaugums rada tīklus, kas savā ziņā ir arī optimāli. Pamatā esošie procesi ir atšķirīgi, taču tie rada matemātiskas struktūras, kas ir analogas. ”
Bet, kaut arī tas ir pārliecinoši, sārņu pelējums bija tikai liela mēroga struktūras vizuāls attēlojums. Komanda neapstājās. Viņi precizēja algoritmu un veica papildu testus, lai mēģinātu apstiprināt savu modeli.
Šajā vietā stājas Dark Matter. Vienā veidā liela mēroga Visuma struktūra ir Dark Matter liela apjoma sadalījums. Galaktikas veidojas masīvās tumšās vielas halos, un tās savieno garas pavedienu struktūras. Tumšā matērija satur apmēram 85% no Visuma matērijas, un visa šī Dark Matter gravitācijas vilkme veido “regulārās” matērijas sadalījumu.
Pētnieku grupa ieguva tumšās vielas halo katalogu no citas zinātniskas simulācijas. Tad viņi ar šiem datiem vadīja savu uz gļotādu veidoto algoritmu, lai noskaidrotu, vai tas varētu replicēt pavedienu tīklu, kas savieno visus šos halos. Rezultāts bija ļoti cieša korelācija ar sākotnējo simulāciju.
"Sākot ar 450 000 tumšās vielas halogēnu, mēs kosmoloģiskajā simulācijā varam iegūt gandrīz perfektu blīvuma laukus," paziņojumā presei sacīja Eleks.
Gļotu pelējuma algoritms atkārtoja pavedienu tīklu, un pētnieki izmantoja šos rezultātus, lai vēl vairāk precizētu savu algoritmu.
Tajā brīdī komandai bija paredzams liela mēroga struktūras uzbūve un visu savienojošais kosmiskais tīkls. Nākamais solis bija salīdzināt to ar citu novērojumu datu kopu. Šim nolūkam viņi devās uz cienījamo Habla kosmisko teleskopu. Šī teleskopa kosmiskās izcelsmes spektrogrāfs (COS) pēta plaša mēroga Visuma struktūru, izmantojot starpgalaktiskās gāzes spektroskopiju. Šī gāze neizstaro nekādu savu gaismu, tāpēc galvenā ir spektroskopija. Tā vietā, lai koncentrētos uz pašu gāzi, COS pēta gaismu no tālu kvazāriem, kad tā iet caur gāzi, un to, kā starpgalaktiskā gāze ietekmē šo gaismu.
“Mēs zinājām, kur, pateicoties sārņu pelējumam, vajadzētu atrasties kosmiskā tīkla pavedieniem, tāpēc mēs varējām doties uz arhivētajiem Habla spektriem kvazāriem, kuri zonda šo vietu, un meklēt gāzes parakstus,” skaidroja Buršets. "Visur, kur mēs redzējām kvēldiegu mūsu modelī, Habla spektros tika parādīts gāzes signāls, un signāls kļuva stiprāks kvēldiegu vidusdaļā, kur gāzei jābūt blīvākai."
Tas prasa vēl vienu Eureka.
"Pirmo reizi mēs varam kvantitatīvi noteikt starpgalaktiskās vides blīvumu no kosmisko tīklojuma attālajiem nomalēm līdz galaktiku kopu karstajam, blīvajam interjeram," sacīja Buršets. "Šie rezultāti ne tikai apstiprina kosmiskā modeļa prognozēto kosmiskā tīkla struktūru, bet arī dod mums iespēju uzlabot mūsu izpratni par galaktiku evolūciju, savienojot to ar gāzes rezervuāriem, no kuriem veidojas galaktikas."
Šis pētījums parāda, ko var paveikt, ja dažādi pētnieki iznāk no savām tvertnēm un sadarbojas dažādās disciplīnās. Kosmoloģija, astronomija, datorprogrammēšana, bioloģija un pat māksla - tas viss deva ieguldījumu šajā visinteresantākajā iznākumā.
"Es domāju, ka, integrējot mākslu zinātniskajā pētniecībā, var būt reālas iespējas," sacīja līdzautors Angus Forbes no UCSC Creative Coding laboratorijas. "Radošas pieejas datu modelēšanai un vizualizēšanai var radīt jaunas perspektīvas, kas mums palīdz izprast sarežģītas sistēmas."
Vairāk:
- Paziņojums presei: Astronomi izmanto sārņu pelējuma modeli, lai atklātu kosmiskā tīkla tumšos pavedienus
- Pētniecības darbs: Kosmiskā tīmekļa tumšo pavedienu atklāšana
- Žurnāls “Kosmoss”: jaunā trīsdimensiju karte parāda liela mēroga struktūras Visumā pirms 9 miljardiem gadu
