Materiale i universet distribueres ikke ens. Det er domineret af superklynger og filamenterne af stof, der snor dem sammen, omgivet af enorme hulrum. Superklynger i Galaxy er øverst i hierarkiet. Inde i dette er alt andet: galakse grupper og klynger, individuelle galakser og solsystemer. Denne hierarkiske struktur kaldes det ”kosmiske web.”
Men hvordan og hvorfor tog universet denne form?
Et team af astronomer og computerforskere ved University of California Santa Cruz tog en interessant tilgang til at finde ud af det. De byggede en computermodel baseret på vækstmønstre i slimformer. Dette er ikke første gang, at slimformer har været med til at forklare andre mønstre i naturen.
Holdet har offentliggjort en undersøgelse, der beskriver deres resultater med titlen "afslører de mørke tråde på det kosmiske web." Hovedforfatter er Joseph Burchett, en postdoktor i astronomi og astrofysik ved UC Santa Cruz. Undersøgelsen blev offentliggjort i The Astrophysical Journal Letters.
Moderne kosmologisk teori forudsiger, at stof vil tage form af disse superklynger og filamenter, og de enorme hulrum, der adskiller dem. Men frem til 1980'erne troede forskere, at galakse klynger var den største struktur, og de troede også, at disse klynger var fordelt jævnt over hele universet.
Derefter blev superklynger opdaget. Derefter grupper af kvasarer. På den gik med flere og flere opdagelser af strukturer og hulrum. Så kom Sloan Digital Sky Survey og et kæmpe 3D-kort over universet og andre bestræbelser som Millennium Simulation.
Materialefilamenter, der forbinder alle disse superklynger og grupper af galakser, er vanskelige at se. For det meste er det bare diffust brint. Men astronomer har formået at få et glimt af det.
Gå ind i slimformen. Slemforme er encellede organismer, der lever perfekt som enkeltceller, men også autonomt danner aggregerede multicellulære strukturer. Når mad er rigeligt, handler de alene, men når fødevarer er mere knappe, samles de sammen. I kollektiv tilstand er de bedre til at opdage kemikalier, finde mad og kan endda danne stængler, der producerer sporer.
Slimeforme er bemærkelsesværdige væsener, og videnskabsfolk er blevet forundrede og fascineret af væsnerens evne til at "skabe optimale distributionsnetværk og løse computermæssigt vanskelige rumlige organisationsproblemer," siger en pressemeddelelse. I 2018 rapporterede japanske forskere, at en slimform var i stand til at gentage indretningen af Tokyos jernbanesystem.
Oskar Elek er postdoktor i computermedier ved U of C, Santa Cruz. Han foreslog at føre forfatter Joseph Burchett, at slimformer muligvis kunne efterligne den kosmiske fordeling af stof og give en måde at visualisere det på.
Burchett var oprindelig skeptisk.
”Det var lidt af et Eureka-øjeblik, og jeg blev overbevist om, at slimformmodellen var vejen frem for os.”
Joseph Burchett, hovedforfatter. U af C, Santa Cruz.
På baggrund af 2-D-inspiration fra kunstverdenen skabte Elek og en anden programmør en 3D-algoritme med slamformadfærd, som de kalder Monte Carlo Physarum Machine. Physarum er en modelorganisme, der bruges i alle former for forskning.
Burchett besluttede at give Elek data fra Sloan Digital Sky Survey, der indeholdt 37.000 galakser og deres distribution i rummet. Da de kørte slamformalgoritmen, var resultatet "en ret overbevisende repræsentation af den kosmiske web."
”Det var lidt af et Eureka-øjeblik, og jeg blev overbevist om, at slimformmodellen var vejen frem for os,” sagde Burchett. ”Det er noget tilfældigt, at det fungerer, men ikke helt. En slamform skaber et optimeret transportnetværk, der finder de mest effektive stier til at forbinde fødevarekilder. På den kosmiske web producerer strukturen vækst netværk, der også på en måde er optimale. De underliggende processer er forskellige, men de producerer matematiske strukturer, der er analoge. ”
Men selvom det er overbevisende, var slimformen bare en visuel repræsentation af strukturen i stor skala. Holdet stoppede ikke der. De forbedrede algoritmen og udførte yderligere test for at prøve at validere deres model.
Det er her Dark Matter indtaster historien. På en måde er universets storskala struktur den store skala distribution af Dark Matter. Galakser dannes i massive haloer af Dark Matter, med lange filamentstrukturer, der forbinder dem. Dark Matter udgør omkring 85% af stoffet i universet, og tyngdekraften i alt det Dark Matter former fordelingen af "almindelig" materie.
Forskerholdet fik fat i et katalog over mørke stoffer fra en anden videnskabelig simulering. Derefter kørte de deres slamformbaserede algoritme med disse data for at se, om det kunne replikere netværket af filamenter, der forbinder alle disse glorier. Resultatet var en meget tæt korrelation med den originale simulering.
”Fra 450.000 mørke stoffer gloser kan vi få en næsten perfekt pasform til tæthedsfelterne i den kosmologiske simulering,” siger Elek i pressemeddelelsen.
Slamformalgoritmen gentog filamentnetværket, og forskerne brugte disse resultater til at finjustere deres algoritme.
På det tidspunkt havde teamet en forudsigelse af strukturen i den store skala og den kosmiske web, der forbinder alt. Det næste trin var at sammenligne dem med et andet sæt observationsdata. Til dette gik de til det ærverdige Hubble-rumteleskop. Dette teleskopets Cosmic Origins Spectrograph (COS) studerer universets storskala struktur gennem spektroskopi af intergalaktisk gas. Den gas udsender ikke sit eget lys, så spektroskopi er nøglen. I stedet for at fokusere på selve gassen, studerer COS lyset fra fjerne kvasarer, når det passerer gennem gassen, og hvordan den intergalaktiske gas påvirker dette lys.
”Vi vidste, hvor filamenterne på den kosmiske bane skulle være takket være slimformen, så vi kunne gå til det arkiverede Hubble-spektre for de kvasarer, der undersøger det rum og ser efter underskrifterne på gassen,” forklarede Burchett. ”Uanset hvor vi så et glødetråd i vores model, viste Hubble-spektre et gassignal, og signalet blev stærkere mod midten af filamenter, hvor gassen skulle være tættere.”
Det kræver en ny Eureka.
”For første gang kan vi kvantificere tætheden af det intergalaktiske medium fra de ydre udkanten af kosmiske webfilamenter til det varme, tætte interiør i galakse-klynger,” sagde Burchett. "Disse resultater bekræfter ikke kun strukturen på den kosmiske bane, der er forudsagt af kosmologiske modeller, de giver os også en måde at forbedre vores forståelse af galakseudviklingen ved at forbinde den med de gasreservoirer, som galakser udgør ud af."
Denne undersøgelse viser, hvad der kan opnås, når forskellige forskere kommer ud af deres siloer og samarbejder gennem forskellige discipliner. Kosmologi, astronomi, computerprogrammering, biologi og endda kunst har alle bidraget til dette mest interessante resultat.
”Jeg tror, der kan være reelle muligheder, når man integrerer kunsten i videnskabelig forskning,” sagde medforfatter Angus Forbes fra UCSC Creative Coding-lab. ”Kreative tilgange til modellering og visualisering af data kan føre til nye perspektiver, der hjælper os med at give mening om komplekse systemer.”
Mere:
- Pressemeddelelse: Astronomer bruger slimmodemodel for at afsløre mørke tråde på den kosmiske bane
- Forskningsartikel: afslører de mørke tråde på det kosmiske web
- Space Magazine: Nyt 3D-kort viser store skala-strukturer i universet 9 milliarder år siden
