Матерія у Всесвіті розподіляється не однаково. У ньому переважають супер-скупчення та нитки речовини, що їх з’єднує, оточені величезними порожнечами. Супер-кластери Галактики знаходяться на вершині ієрархії. Всередині цього все інше: галактичні групи та скупчення, окремі галактики та сонячні системи. Ця ієрархічна структура називається «космічна павутина».
Але як і чому Всесвіт прийняла таку форму?
Команда астрономів та вчених-комп'ютерів Каліфорнійського університету Санта-Крус взяла цікавий підхід до з'ясування цього. Вони побудували комп’ютерну модель, засновану на моделях зростання шламових форм. Це не перший раз, коли форми з слизу допомагають пояснити інші закономірності в природі.
Команда опублікувала дослідження, в якому виклала свої результати під назвою «Розкриття темних ниток космічної павутини». Головний автор - Джозеф Берчетт, докторантура з астрономії та астрофізики в УК Санта-Крус. Дослідження було опубліковане в The Astrophysical Journal Letters.
Сучасна космологічна теорія передбачає, що матерія набуде форми цих супер-скупчень і ниток та величезних порожнеч, що їх розділяють. Але до 1980-х вчені вважали, що скупчення галактик є найбільшою структурою, і вони також вважали, що ці кластери розподіляються рівномірно по всьому Всесвіту.
Потім були виявлені супер-кластери. Потім групи квазарів. На це пішло все більше відкриттів структур і порожнеч. Потім з'явилося опитування цифрового неба Sloan і величезна 3D-карта Всесвіту, а також інші зусилля, як моделювання тисячоліття.
Нитки речовини, що з'єднують усі ці супер-скупчення і групи галактик, важко помітити. Здебільшого це просто дифузний водень. Але астрономи зуміли помітити це.
Введіть форму слизу. Слизькі цвілі - це одноклітинні організми, які прекрасно живуть як одиничні клітини, але також автономно утворюють сукупні багатоклітинні структури. Коли їжі вдосталь, вони діють поодинці, але коли їжі менше, вони гуртуються разом. У колективному стані вони краще виявляють хімічні речовини, знаходять їжу і навіть можуть утворювати стебла, що виробляють спори.
Слизькі форми є чудовими істотами, і вчені були здивовані та заінтриговані здатністю істоти "створювати оптимальні мережі розподілу та вирішувати складні проблеми просторової організації обчислювальної техніки", - йдеться у прес-релізі. У 2018 році японські вчені повідомили, що слизова форма здатна повторити схему залізничної системи Токіо.
Оскар Елек - докторський науковий співробітник обчислювальних засобів масової інформації в Університеті Санта-Крус. Він запропонував вести автору Джозефу Берчетту, що слизові форми можуть бути в змозі імітувати космічний розподіл речовини і надавати спосіб її візуалізації.
Спочатку Берчетт був скептичним.
"Це був своєрідний момент" Еврики ", і я переконався, що модель з формою слизу - це шлях для нас".
Джозеф Берчетт, головний автор. U з C, Санта-Крус.
Спираючись на 2-D натхнення зі світу мистецтв, Elek та інший програміст створили 3-D алгоритм поведінки плісняви, який вони називають машиною Monte Carlo Physarum. Фізарум - модельний організм, який використовується в усіх видах досліджень.
Берчетт вирішив надати Елекові дані з опитування цифрового неба Sloan, яке містило 37 000 галактик та їх розподіл у просторі. Коли вони запустили алгоритм формування слизової форми, результатом було «досить переконливе представлення космічної павутини».
"Це був якийсь момент Еврики, і я переконався, що модель з формою слизу - це шлях для нас вперед", - сказав Берчетт. "Це дещо збігається, що це працює, але не повністю. Слізька форма створює оптимізовану транспортну мережу, знаходячи найефективніші шляхи підключення харчових джерел. У космічній павутині зростання структури виробляє мережі, які також є, в певному сенсі, оптимальними. Основні процеси різні, але вони створюють аналогічні математичні структури ».
Але хоч це і є переконливим, слизова форма була лише візуальним зображенням масштабної структури. Команда на цьому не зупинилася. Вони вдосконалили алгоритм і зробили додаткові тести, щоб спробувати перевірити свою модель.
Ось тут Темна матерія входить в історію. Одним чином масштабна структура Всесвіту - це широкомасштабний розподіл Темної матерії. Галактики утворюються в масивних ореолах Темної матерії з довгими нитчастими структурами, що з'єднують їх. Темна матерія містить близько 85% речовини у Всесвіті, а гравітаційне тягнення всього того, що Темна матерія формує розподіл «регулярної» матерії.
Команда дослідників отримала каталог ореолів темної речовини за допомогою іншого наукового моделювання. Потім вони запустили свій алгоритм, заснований на слизовій формі, з цими даними, щоб побачити, чи може він тиражувати мережу ниток, що з'єднують усі ці ореоли. Результатом було дуже тісна кореляція з оригінальним моделюванням.
"Починаючи з 450 000 ореолів темної речовини, ми можемо отримати майже ідеальне пристосування до полів щільності в космологічному моделюванні", - сказав Елек у прес-релізі.
Алгоритм формування слизової форми відтворював ниткову мережу, і дослідники використовували ці результати для подальшої настройки їх алгоритму.
У цей момент команда мала передбачення будови великомасштабної структури та космічної павутини, що поєднувала все. Наступним кроком було порівняння його з різним набором даних спостережень. Для цього вони вирушили до поважного космічного телескопа Хаббла. Спектрограф космічного походження телескопа досліджує великомасштабну структуру Всесвіту за допомогою спектроскопії міжгалактичного газу. Цей газ не випромінює жодного власного світла, тому ключовою є спектроскопія. Замість того, щоб зосередитись на самому газі, COS вивчає світло від далеких квазарів під час його проходження через газ, і як міжгалактичний газ впливає на це світло.
"Ми знали, де нитки космічної павутини повинні бути завдяки слизовій формі, тому ми могли перейти до архіву спектрів Хаббла для квазарів, які зондують цей простір, і шукати підписи газу", - пояснив Берчетт. "Де б ми не побачили нитку в нашій моделі, спектри Хаббла показали газовий сигнал, і сигнал посилився до середини ниток, де газ повинен бути щільніше".
Це вимагає іншого Еврика.
"Вперше ми можемо кількісно визначити щільність міжгалактичного середовища від віддалених околиць космічних ниток до гарячих, щільних інтер'єрів кластерних галактик", - сказав Берчетт. "Ці результати не тільки підтверджують структуру космічної павутини, передбачену космологічними моделями, вони також дають нам можливість покращити наше розуміння еволюції галактики, з'єднавши її з газовими резервуарами, з яких утворюються галактики".
Це дослідження показує, що можна досягти, коли різні дослідники вийдуть зі своїх силосів та співпрацюють через різні дисципліни. Космологія, астрономія, комп'ютерне програмування, біологія і навіть мистецтво - все це сприяло цьому найцікавішому результату.
"Я думаю, що можуть бути реальні можливості, коли ви інтегруєте мистецтво у наукові дослідження", - сказав співавтор Ангус Форбс з лабораторії творчого кодування UCSC. «Творчі підходи до моделювання та візуалізації даних можуть призвести до нових перспектив, які допомагають нам осмислити складні системи».
Більше:
- Прес-реліз: для виявлення темних ниток космічної павутини астрономи використовують модель шламу
- Дослідницький документ: Розкриття темних ниток космічної павутини
- Космічний журнал: Нова тривимірна карта показує великі структури масштабу у Всесвіті 9 мільярдів років тому
