Το θέμα στο Σύμπαν δεν κατανέμεται εξίσου. Κυριαρχείται από σούπερ συμπλέγματα και τα νήματα της ύλης που τα ενώνουν, περιτριγυρισμένα από τεράστια κενά. Τα σούπερ συμπλέγματα Galaxy βρίσκονται στην κορυφή της ιεραρχίας. Μέσα σε αυτά είναι τα πάντα: ομάδες γαλαξιών και σμήνη, ατομικοί γαλαξίες και ηλιακά συστήματα. Αυτή η ιεραρχική δομή ονομάζεται «Κοσμικός Ιστός».
Αλλά πώς και γιατί το Σύμπαν έλαβε αυτή τη μορφή;
Μια ομάδα αστρονόμων και επιστημόνων υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια Santa Cruz έκανε μια ενδιαφέρουσα προσέγγιση για να το καταλάβει. Δημιούργησαν ένα μοντέλο υπολογιστή βασισμένο στα μοτίβα ανάπτυξης των μούχλας. Δεν είναι η πρώτη φορά που τα καλούπια λάσπης βοήθησαν να εξηγήσουν άλλα μοτίβα στη φύση.
Η ομάδα δημοσίευσε μια μελέτη που περιγράφει τα αποτελέσματά τους με τίτλο «Αποκάλυψη των σκοτεινών νημάτων του Κοσμικού Ιστού». Ο κύριος συγγραφέας είναι ο Joseph Burchett, μεταδιδακτορικός ερευνητής στην αστρονομία και την αστροφυσική στο UC Santa Cruz. Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο The Astrophysical Journal Letters.
Η σύγχρονη κοσμολογική θεωρία προβλέπει ότι η ύλη θα έχει τη μορφή αυτών των σούπερ συστάδων και νημάτων, και των τεράστιων κενών που τα διαχωρίζουν. Αλλά μέχρι τη δεκαετία του 1980, οι επιστήμονες πίστευαν ότι οι συστάδες γαλαξιών ήταν η μεγαλύτερη δομή, και επίσης πίστευαν ότι αυτές οι συστάδες είχαν κατανεμηθεί ομοιόμορφα σε όλο το Σύμπαν.
Στη συνέχεια ανακαλύφθηκαν υπερσυστήματα. Στη συνέχεια, ομάδες κβάζαρ. Συνεχίστηκε, με όλο και περισσότερες ανακαλύψεις δομών και κενών. Στη συνέχεια ήρθε η έρευνα Sloan Digital Sky και ένας τεράστιος τρισδιάστατος χάρτης του σύμπαντος, και άλλες προσπάθειες όπως η προσομοίωση της χιλιετίας.
Τα νήματα της ύλης που συνδέουν όλα αυτά τα σούπερ σμήνη και ομάδες γαλαξιών είναι δύσκολο να δουν. Ως επί το πλείστον, είναι απλώς διάχυτο υδρογόνο. Όμως, οι αστρονόμοι κατάφεραν να το δουν.
Εισάγετε το καλούπι λάσπης. Τα καλούπια slime είναι μονοκύτταροι οργανισμοί που ζουν απόλυτα ως μονόκυτταρα, αλλά επίσης σχηματίζουν αυτόνομα αθροιστικές πολυκυτταρικές δομές. Όταν τα τρόφιμα είναι άφθονα ενεργούν μόνα τους, αλλά όταν τα τρόφιμα είναι πιο σπάνια, ενώνονται. Στη συλλογική κατάσταση είναι καλύτερα να ανιχνεύουν χημικές ουσίες, να βρίσκουν τρόφιμα και μπορούν ακόμη και να σχηματίσουν μίσχους που παράγουν σπόρια.
Τα καλούπια Slime είναι αξιοσημείωτα πλάσματα και οι επιστήμονες μπερδεύτηκαν και ενθουσιάστηκαν από την ικανότητα του πλάσματος να «δημιουργήσει βέλτιστα δίκτυα διανομής και να λύσει υπολογιστικά δύσκολα χωρικά προβλήματα οργάνωσης», όπως αναφέρει το δελτίο τύπου. Το 2018, Ιάπωνες επιστήμονες ανέφεραν ότι ένα μούχλα slime μπόρεσε να αναπαράγει τη διάταξη του σιδηροδρομικού συστήματος του Τόκιο.
Ο Oskar Elek είναι μεταδιδακτορικός ερευνητής σε υπολογιστικά μέσα στο U of C, Santa Cruz. Πρότεινε στον επικεφαλής συγγραφέα Joseph Burchett ότι τα καλούπια slime μπορεί να είναι σε θέση να μιμούνται την κοσμική κατανομή της ύλης και να παρέχουν έναν τρόπο οπτικοποίησης.
Ο Burchett ήταν αρχικά δύσπιστος.
«Ήταν μια στιγμή Eureka και πείστηκα ότι το μοντέλο μούχλας slime ήταν ο δρόμος προς τα εμπρός για εμάς».
Joseph Burchett, επικεφαλής συγγραφέας. U of C, Santa Cruz.
Βασιζόμενος σε 2-D έμπνευση από τον κόσμο της τέχνης, ο Elek και ένας άλλος προγραμματιστής δημιούργησαν έναν 3-D αλγόριθμο συμπεριφοράς μούχλας slime που ονομάζουν Monte Carlo Physarum Machine. Το Physarum είναι ένα μοντέλο οργανισμού που χρησιμοποιείται σε κάθε είδους έρευνα.
Ο Burchett αποφάσισε να δώσει δεδομένα Elek από την έρευνα Sloan Digital Sky που περιείχε 37.000 γαλαξίες και τη διανομή τους στο διάστημα. Όταν έτρεξαν τον αλγόριθμο μούχλας slime, το αποτέλεσμα ήταν «μια αρκετά πειστική αναπαράσταση του κοσμικού ιστού».
«Ήταν μια στιγμή Eureka και πείστηκα ότι το μοντέλο μούχλας slime ήταν ο δρόμος προς τα εμπρός για εμάς», είπε ο Burchett. «Είναι κάπως τυχαίο ότι λειτουργεί, αλλά όχι εξ ολοκλήρου. Μια μούχλα slime δημιουργεί ένα βελτιστοποιημένο δίκτυο μεταφοράς, βρίσκοντας τις πιο αποτελεσματικές οδούς για τη σύνδεση πηγών τροφίμων. Στον κοσμικό ιστό, η ανάπτυξη της δομής παράγει δίκτυα που είναι, από μια άποψη, βέλτιστα. Οι υποκείμενες διαδικασίες είναι διαφορετικές, αλλά παράγουν μαθηματικές δομές που είναι ανάλογες. "
Αλλά παρόλο που είναι συναρπαστικό, το μούχλα slime ήταν απλώς μια οπτική αναπαράσταση της δομής μεγάλης κλίμακας. Η ομάδα δεν σταμάτησε εκεί. Διευκρίνισαν τον αλγόριθμο και έκαναν επιπλέον δοκιμές για να προσπαθήσουν να επικυρώσουν το μοντέλο τους.
Εδώ μπαίνει το Dark Matter στην ιστορία. Κατά έναν τρόπο, η δομή μεγάλης κλίμακας του Σύμπαντος είναι η μεγάλης κλίμακας κατανομή του Dark Matter. Οι γαλαξίες σχηματίζονται σε τεράστια φωτοστέφανα Dark Matter, με μακρές νηματώδεις δομές που τις συνδέουν. Το Dark Matter αποτελεί περίπου το 85% της ύλης στο Σύμπαν και η βαρυτική έλξη όλου του Dark Matter διαμορφώνει τη διανομή της «κανονικής» ύλης.
Η ομάδα των ερευνητών πήρε έναν κατάλογο με φωτοστέφανα σκοτεινής ύλης από άλλη επιστημονική προσομοίωση. Στη συνέχεια, έτρεξαν τον αλγόριθμο με βάση τα slime-mould με αυτά τα δεδομένα, για να δουν αν θα μπορούσε να αναπαράγει το δίκτυο νημάτων που συνδέει όλα αυτά τα φωτοστέφανα. Το αποτέλεσμα ήταν μια πολύ στενή συσχέτιση με την αρχική προσομοίωση.
«Ξεκινώντας με 450.000 φωτοστέφανα σκοτεινής ύλης, μπορούμε να ταιριάξουμε σχεδόν τέλεια στα πεδία πυκνότητας στην κοσμολογική προσομοίωση», δήλωσε ο Elek στο δελτίο τύπου.
Ο αλγόριθμος slime mold αναπαράγει το δίκτυο θεμελιώδους και οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτά τα αποτελέσματα για να βελτιώσουν περαιτέρω τον αλγόριθμό τους.
Σε αυτό το σημείο, η ομάδα είχε μια πρόβλεψη για τη δομή της μεγάλης κλίμακας δομής και τον κοσμικό ιστό που συνδέει τα πάντα. Το επόμενο βήμα ήταν να το συγκρίνουμε με ένα διαφορετικό σύνολο δεδομένων παρατήρησης. Για αυτό, πήγαν στο σεβαστό Διαστημικό Τηλεσκόπιο Χαμπλ. Ο φασματογράφος Cosmic Origins (COS) του τηλεσκοπίου μελετά τη δομή μεγάλης κλίμακας του Σύμπαντος μέσω φασματοσκοπίας διαγαλαξιακού αερίου. Αυτό το αέριο δεν εκπέμπει κανένα δικό του φως, επομένως η φασματοσκοπία είναι το κλειδί. Αντί να επικεντρώνεται στο ίδιο το αέριο, το COS μελετά το φως από μακρινά κβάζαρ καθώς περνά μέσα από το αέριο και πώς το διαγαλαξιακό αέριο επηρεάζει αυτό το φως.
«Γνωρίζαμε πού πρέπει να είναι τα νήματα του κοσμικού ιστού χάρη στο μούχλα slime, οπότε θα μπορούσαμε να πάμε στα αρχειοθετημένα φάσματα Hubble για τα κβάζαρ που διερευνούν αυτόν τον χώρο και να αναζητήσουν τις υπογραφές του αερίου», εξήγησε ο Burchett. "Οπουδήποτε είδαμε ένα νήμα στο μοντέλο μας, τα φάσματα Hubble έδειξαν ένα σήμα αερίου και το σήμα έγινε ισχυρότερο προς τη μέση των νημάτων όπου το αέριο θα έπρεπε να είναι πιο πυκνό."
Αυτό απαιτεί άλλο Eureka.
«Για πρώτη φορά τώρα, μπορούμε να ποσοτικοποιήσουμε την πυκνότητα του διαγαλαξιακού μέσου από τα απομακρυσμένα περίχωρα των κοσμικών νημάτων ιστού έως τα καυτά, πυκνά εσωτερικά των σμήνων γαλαξιών», δήλωσε ο Burchett. "Αυτά τα αποτελέσματα όχι μόνο επιβεβαιώνουν τη δομή του κοσμικού ιστού που προβλέπεται από κοσμολογικά μοντέλα, αλλά μας δίνουν επίσης έναν τρόπο να βελτιώσουμε την κατανόησή μας για την εξέλιξη του γαλαξία συνδέοντάς τον με τις δεξαμενές αερίου από τις οποίες σχηματίζουν γαλαξίες."
Αυτή η μελέτη δείχνει τι μπορεί να επιτευχθεί όταν διαφορετικοί ερευνητές βγαίνουν από τα σιλό τους και συνεργάζονται μέσω διαφορετικών επιστημονικών κλάδων. Η κοσμολογία, η αστρονομία, ο προγραμματισμός υπολογιστών, η βιολογία, ακόμη και η τέχνη, συνέβαλαν σε αυτό το πιο ενδιαφέρον αποτέλεσμα.
«Νομίζω ότι μπορεί να υπάρχουν πραγματικές ευκαιρίες όταν ενσωματώνεις τις τέχνες στην επιστημονική έρευνα», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Angus Forbes από το εργαστήριο UCSC Creative Coding. «Οι δημιουργικές προσεγγίσεις για τη μοντελοποίηση και την οπτικοποίηση δεδομένων μπορούν να οδηγήσουν σε νέες προοπτικές που μας βοηθούν να κατανοήσουμε πολύπλοκα συστήματα».
Περισσότερο:
- Δελτίο Τύπου: Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν το μοντέλο μούχλας slime για να αποκαλύψουν σκοτεινά νήματα του κοσμικού ιστού
- Ερευνητικό έγγραφο: Αποκάλυψη των σκοτεινών νημάτων του Κοσμικού Ιστού
- Space Magazine: Νέος τρισδιάστατος χάρτης δείχνει δομές μεγάλης κλίμακας στο σύμπαν 9 δισεκατομμύρια χρόνια πριν
