Aine universumis ei jagune võrdselt. Selles domineerivad superklastrid ja mateeria hõõgniidid, mis neid omavahel ühendavad, ümbritsetud tohutute tühimikega. Galaktika superklastrid asuvad hierarhia tipus. Nende sees on kõik muu: galaktikarühmad ja klastrid, üksikud galaktikad ja päikesesüsteemid. Seda hierarhilist struktuuri nimetatakse “kosmiliseks veebiks”.
Kuid kuidas ja miks universum selle vormi võttis?
California Santa Cruzi ülikooli astronoomide ja arvutiteadlaste meeskond kasutas selle väljamõtlemiseks huvitavat lähenemist. Nad ehitasid arvutimudeli, mis põhines limavormide kasvumustritel. See pole esimene kord, kui limavormid on aidanud selgitada muid looduse mustreid.
Meeskond on avaldanud uuringu, milles kirjeldatakse nende tulemusi pealkirjaga „Kosmilise veebi tumedate niitide paljastamine“. Juhtautor on UC Santa Cruzi astronoomia ja astrofüüsika järeldoktor Joseph Burchett. Uuring avaldati ajakirjas The Astrophysical Journal Letters.
Kaasaegne kosmoloogiline teooria ennustab, et mateeria võtab nende superklastrite ja -kiudude ning neid eraldavate tohutute tühimike kuju. Kuid kuni 1980. aastateni arvasid teadlased, et galaktikaparved olid suurim struktuur, ja nad arvasid ka, et need klastrid olid kogu universumis ühtlaselt jaotunud.
Siis avastati superklastrid. Siis rühmad kvaasarid. See läks edasi, avastades üha enam struktuure ja tühimikke. Seejärel tulid Sloani digitaalse taeva uuring ja tohutu 3D-kaart universumist ning muud jõupingutused, näiteks millenniumi simulatsioon.
Ainefilamente, mis ühendavad kõiki neid galaktikate supertükke ja rühmi, on raske näha. Enamasti on see lihtsalt hajus vesinik. Kuid astronoomidel on õnnestunud sellest pilku heita.
Sisestage limavorm. Limavormid on üherakulised organismid, mis elavad suurepäraselt üksikute rakkudena, kuid moodustavad iseseisvalt ka mitmerakulisi struktuure. Kui toitu on palju, tegutsevad nad üksi, kuid kui toitu napib, liituvad nad omavahel. Kollektiivses olekus suudavad nad paremini kemikaale tuvastada, toitu leida ja võivad moodustada isegi eoseid tekitavaid varre.
Limavormid on tähelepanuväärsed olendid ning teadlasi on hämmingus ja intrigeerinud olendi võime "luua optimaalseid jaotusvõrke ja lahendada arvutuslikult keerulisi ruumilise korralduse probleeme", seisab pressiteates. Jaapani teadlased teatasid 2018. aastal, et limavorm suutis korrata Tokyo raudteesüsteemi paigutust.
Oskar Elek on Santa Cruzi U-s arvutusmeedia järeldoktor. Ta soovitas autoril Joseph Burchettil juhtida, et limavormid võivad matkida aine kosmilist jaotust ja pakkuda selle visualiseerimise viisi.
Burchett oli esialgu skeptiline.
"See oli omamoodi Eureka hetk ja veendusin, et limavormimudel on meie jaoks tee edasi."
Joseph Burchett, juhtiv autor. U C, Santa Cruz.
Toetudes kunstimaailma kahemõõtmelistele inspiratsioonile, lõid Elek ja veel üks programmeerija 3D-algoritmi lima hallituse käitumiseks, mida nad nimetavad Monte Carlo Physarumi masinaks. Physarum on näidisorganism, mida kasutatakse kõikvõimalikes uuringutes.
Burchett otsustas anda Elekile andmed Sloani digitaalse taeva uuringust, mis sisaldas 37 000 galaktikat ja nende levikut kosmoses. Kui nad käivitasid limavormi algoritmi, oli tulemuseks “kosmilise veebi üsna veenev kujutis”.
"See oli omamoodi Eureka hetk ja veendusin, et limavormimudel oli meie jaoks tee edaspidiseks," ütles Burchett. „See töötab mõnevõrra juhuslikult, kuid mitte täielikult. Limavorm loob optimeeritud transpordivõrgu, leides toiduallikate ühendamiseks kõige tõhusamad viisid. Kosmilises veebis tekitab struktuuri kasv võrke, mis on teatud mõttes ka optimaalsed. Selle aluseks olevad protsessid on erinevad, kuid need annavad matemaatilisi struktuure, mis on analoogsed. ”
Kuid hoolimata sellest, et see on kaalukas, oli limavorm lihtsalt suuremahulise struktuuri visuaalne kujutis. Meeskond ei peatunud sellel. Nad täpsustasid algoritmi ja tegid täiendavaid katseid, et proovida oma mudelit kinnitada.
Just sinna sisenebki Dark Matter. Ühel viisil on Universumi suuremahuline struktuur Dark Matter laiaulatuslik jaotus. Galaktikad moodustuvad tumeda aine massiivsetes halodes, neid ühendavad pikad niitstruktuurid. Tume aine hõlmab umbes 85% universumi ainest ja kogu selle tumeda aine gravitatsiooniline tõmbe kujundab „tavalise” aine jaotust.
Teadlaste meeskond sai kätte teisest teaduslikust simulatsioonist sisalduva tumeda aine haloskataloogi. Siis käivitasid nad nende andmetega limavormil põhineva algoritmi, et näha, kas see suudaks korrata kõiki neid halosid ühendavat hõõgniitide võrku. Tulemuseks oli väga tihe korrelatsioon algse simulatsiooniga.
"Alustades 450 000 tumeda aine halost, saame kosmoloogilises simulatsioonis tihedusväljadele peaaegu ideaalse sobivuse," ütles Elek pressiteates.
Limavormi algoritm kordas niitvõrku ja teadlased kasutasid neid tulemusi oma algoritmi täiendavaks häälestamiseks.
Sel hetkel oli meeskonnal ennustus suuremahulise struktuuri ja kõike ühendava kosmilise veebi ülesehituse kohta. Järgmine samm oli võrrelda seda erineva vaatlusandmete kogumiga. Selleks läksid nad auväärsesse Hubble'i kosmoseteleskoopi. Selle teleskoobi kosmilise päritolu spektrograaf (COS) uurib Universumi suuremahulist struktuuri galaktikavahelise gaasi spektroskoopia abil. See gaas ei kiirga iseenesest valgust, seega on spektroskoopia võtmetähtsusega. Gaasile endale keskendumise asemel uurib COS kaugetest kvaasaritest tulevat valgust, kui see gaasi läbib, ja kuidas galaktiline gaas seda valgust mõjutab.
"Me teadsime, et tänu limavormile peaksid kosmilise veebi hõõgniidid olema, nii et saime arhiivitud Hubble'i spektritele minna kvaasarite jaoks, mis seda ruumi sondeerivad, ja otsida gaasi allkirju," selgitas Burchett. "Ükskõik, kus meie mudelis hõõgniiti nägime, näitasid Hubble'i spektrid gaasisignaali ja signaal muutus tugevamaks hõõgniitide keskpaiga poole, kus gaas peaks olema tihedam."
See nõuab veel ühte Eurekat.
"Esmakordselt saame kvantitatiivselt mõõta galaktikatevahelise tiheduse kosmiliste veefilamentide kaugetest äärealadest kuni galaktikaparvede kuumade, tihedate interjöörideni," ütles Burchett. "Need tulemused mitte ainult ei kinnita kosmoloogiliste mudelite abil ennustatud kosmilise veebi struktuuri, vaid annavad meile ka võimaluse parandada meie arusaamist galaktikate evolutsioonist, ühendades selle gaasimahutitega, millest galaktikad moodustuvad."
See uuring näitab, mida on võimalik saavutada, kui erinevad teadlased tulevad oma silodest välja ja teevad koostööd erinevate erialade kaudu. Selle kõige huvitavama tulemuse saavutamisele aitasid kaasa kosmoloogia, astronoomia, arvutiprogrammeerimine, bioloogia ja isegi kunst.
"Ma arvan, et kui ühendate kunstide teadusuuringutega, võib olla reaalseid võimalusi," ütles kaasautor Angus Forbes UCSC loovkodeerimise laborist. "Loovad lähenemisviisid andmete modelleerimisele ja visualiseerimisele võivad anda uusi vaatenurki, mis aitavad meil keerukate süsteemide mõistmist."
Veel:
- Pressiteade: Astronoomid kasutavad kosmilise veebi tumedate niitide paljastamiseks limavormi mudelit
- Uurimistöö: Kosmilise veebi tumedate niitide paljastamine
- Kosmoseajakiri: Uus kolmemõõtmeline kaart näitab 9 miljardit aastat tagasi universumi suuri mõõtmeid pakkuvaid struktuure
