החומר ביקום אינו מופץ באופן שווה. הוא נשלט על ידי אשכולות-על וחוטי החומר המחברים אותם יחד, מוקפים בחללים ענקיים. אשכולות העל של גלקסי נמצאים בראש ההיררכיה. בתוך אלה יש כל השאר: קבוצות וצבירי גלקסיות, גלקסיות בודדות ומערכות שמש. מבנה היררכי זה נקרא 'הרשת הקוסמית'.
אבל איך ומדוע לבש היקום את הצורה הזו?
צוות של אסטרונומים ומדעני מחשב מאוניברסיטת קליפורניה סנטה קרוז נקט בגישה מעניינת כדי להבין זאת. הם בנו מודל ממוחשב המבוסס על דפוסי גדילה של תבניות רפש. זו לא הפעם הראשונה שתבניות סליים עוזרות להסביר דפוסים אחרים בטבע.
הצוות פרסם מחקר המתאר את תוצאותיהם שכותרתו ' חשיפת החוטים האפלים של הרשת הקוסמית. 'הכותב הראשי הוא ג'וזף בורצ'ט, חוקר פוסט-דוקטורט באסטרונומיה ואסטרופיזיקה ב-UC סנטה קרוז. המחקר פורסם ב מכתבי ה-astrophysical Journal .
התיאוריה הקוסמולוגית המודרנית מנבאת שהחומר יקבל את צורתם של צבירי-על וחוטים אלה, ושל החללים העצומים שמפרידים ביניהם. אבל עד שנות ה-80, מדענים חשבו שצבירי גלקסיות הם המבנה הגדול ביותר, והם גם חשבו שהצבירים הללו מפוזרים באופן שווה ברחבי היקום.
הדמיה של כוח המשיכה ביקום מתרחב. משמאל הוא היקום המוקדם, עם חומר מפוזר באופן שווה לכל אורכו. עם הזמן החומר התקבץ יחדיו. בצד ימין נמצא המבנה הנוכחי של היקום בקנה מידה גדול, עם צבירי-על ברורים, חוטים וחללים. קרדיט תמונה: אנדריי קרבצוב, אנטולי קליפין, המרכז הלאומי ליישומי מחשבי-על.
ואז התגלו אשכולות-על. ואז קבוצות של קוואזרים. זה המשיך, עם יותר ויותר גילויים של מבנים וחללים. ואז הגיע ה Sloan Digital Sky Survey ומפת 3D ענקית של היקום, ומאמצים אחרים כמו סימולציית מילניום .
קשה לראות את חוטי החומר המחברים את כל צבירי העל וקבוצות הגלקסיות הללו. לרוב, זה רק מימן מפוזר. אבל אסטרונומים הצליחו להציץ בו.
להיכנס ל עובש סליים . תבניות סליים הן אורגניזמים חד-תאיים שחיים בסדר גמור כתאים בודדים, אך גם יוצרים באופן אוטונומי מבנים רב-תאיים מצטברים. כאשר אוכל בשפע הם פועלים לבד, אבל כאשר האוכל הוא דל יותר, הם מתאגדים יחד. במצב הקולקטיבי הם טובים יותר באיתור כימיקלים, מציאת מזון, ואף יכולים ליצור גבעולים המייצרים נבגים.
תבניות סליים הן יצורים יוצאי דופן, ומדענים נדהמו והסתקרנו מיכולתו של היצור 'ליצור רשתות הפצה מיטביות ולפתור בעיות ארגון מרחבי קשות מבחינה חישובית', בתור ידיעה לתקשורת אומר. בשנת 2018, מדענים יפנים דיווחו כי תבנית רפש הצליחה לשחזר את פריסת מערכת הרכבות של טוקיו .
אוסקר אלק הוא חוקר פוסט-דוקטורט במדיה חישובית ב-U of C, Santa Cruz. הוא הציע לסופר הראשי ג'וזף בורצ'ט שתבניות רפש עשויות לחקות את התפוצה הקוסמית של החומר ולספק דרך להמחיש אותו.
ברצ'ט היה סקפטי בתחילה.
'זה היה סוג של רגע של אאוריקה, והשתכנעתי שדגם תבנית הרפש הוא הדרך קדימה עבורנו'.
ג'וזף בורצ'ט, המחבר הראשי. U או C, סנטה קרוז.
שואבת השראה דו-ממדית מה- עולם האמנות , אלק ומתכנת נוסף יצרו אלגוריתם תלת מימדי של התנהגות עובש רפש שהם קוראים לו מכונת מונטה קרלו פיזירום. פיזירום הוא מודל אורגניזם המשמש בכל סוגים של מחקר .
מפתחת רשת של צינורות מחוברים תוך כדי שהיא חוקרת את הסביבה עבור מזון. (קרדיט צילום: Frankenstoen/ CC BY )
בורצ'ט החליט לתת לאלק נתונים מסקר השמיים הדיגיטלי של סלואן שהכיל 37,000 גלקסיות ותפוצתן בחלל. כשהם הפעילו את אלגוריתם עובש הרפש, התוצאה הייתה 'ייצוג די משכנע של הרשת הקוסמית'.
'זה היה סוג של רגע של אאוריקה, והשתכנעתי שמודל עובש הרפש הוא הדרך קדימה עבורנו', אמר בורצ'ט. 'זה קצת מקרי שזה עובד, אבל לא לגמרי. תבנית רפש יוצרת רשת הובלה אופטימלית, ומוצאת את המסלולים היעילים ביותר לחיבור מקורות מזון. ברשת הקוסמית, צמיחת המבנה מייצרת רשתות שגם הן, במובן מסוים, אופטימליות. התהליכים הבסיסיים שונים, אבל הם מייצרים מבנים מתמטיים אנלוגיים'.
שחזור האינטרנט הקוסמי של מכונת מונטה קרלו פיזירום (MCPM) באמצעות 37,662 גלקסיות מ-Sloan Digital Sky Survey (SDSS). לאורך התחתית יש שלושה אזורים בודדים המציגים את גלקסיות ה-SDSS הבסיסיות (G) ואת שדה צפיפות החוטים של MCPM (G+F). קרדיט תמונה: Burchett et al 2020.
אבל למרות שזה משכנע, תבנית הרפש הייתה רק ייצוג חזותי של המבנה בקנה מידה גדול. הצוות לא עצר שם. הם חידדו את האלגוריתם וערכו בדיקות נוספות כדי לנסות לאמת את המודל שלהם.
זה המקום שבו החומר האפל נכנס לסיפור. במובן אחד, המבנה בקנה מידה גדול של היקום הוא התפלגות בקנה מידה גדול של החומר האפל. גלקסיות נוצרות בהילות מאסיביות של חומר אפל, עם מבנים חוטיים ארוכים המחברים ביניהן. החומר האפל מהווה כ-85% מהחומר ביקום, וכוח הכבידה של כל החומר האפל מעצב את התפלגות החומר ה'רגיל'.
צוות החוקרים השיג קטלוג של הילות חומר אפל מאחר סימולציה מדעית . אחר כך הם הפעילו את האלגוריתם המבוסס על עובש רפש עם הנתונים האלה, כדי לראות אם זה יכול לשכפל את רשת החוטים המחברים את כל ההילות האלה. התוצאה הייתה מתאם הדוק מאוד עם הסימולציה המקורית.
'החל מ-450,000 הילות חומר אפל, נוכל להגיע להתאמה כמעט מושלמת לשדות הצפיפות בסימולציה הקוסמולוגית', אמר אלק ב- ידיעה לתקשורת .
בדיקה מפורטת של אזור המעבר של IGM מהעיתון. למעלה משמאל היא הדמיה של מפת חום מפרוסה אחת של MCPM ההתאמה לדגימת הגלקסיה SDSS. ימינה היא פרוסת הסטה לאדום מאותו הדבר. החלק התחתון מדגיש שלושה טווחי צפיפות במדיום הבין-גלקטי, עם הילות, אזורי מעבר וחוטים פנימיים כולם מסומנים. קרדיט תמונה: Burchett et al 2020.
אלגוריתם עובש הרפש שיכפל את הרשת החוטים, והחוקרים השתמשו בתוצאות הללו כדי לכוונן עוד יותר את האלגוריתם שלהם.
בשלב זה, הצוות היה בעל חיזוי של מבנה המבנה בקנה מידה גדול והרשת הקוסמית המחברת הכל. השלב הבא היה להשוות אותו לסט אחר של נתוני תצפית. בשביל זה הם הלכו לטלסקופ החלל האבל המכובד. של הטלסקופ הזה ספקטרוגרף Cosmic Origins (COS) חוקר את המבנה בקנה מידה גדול של היקום באמצעות ספקטרוסקופיה של גז בין גלקטי. הגז הזה לא פולט שום אור משלו, אז ספקטרוסקופיה היא המפתח. במקום להתמקד בגז עצמו, ה-COS חוקר את האור מקוואזרים מרוחקים בזמן שהוא עובר דרך הגז, וכיצד הגז הבין-גלקטי משפיע על האור הזה.
'ידענו היכן צריכים להיות חוטי הרשת הקוסמית הודות לעובש הרפש, כדי שנוכל ללכת אל ספקטרום האבל הארכיוני עבור הקוואזרים שחוקרים את החלל ומחפשים את חתימות הגז', הסביר בורצ'ט. 'בכל מקום שראינו חוט בדגם שלנו, ספקטרום האבל הראה אות גז, והאות התחזק לקראת אמצע חוטי החוטים שבו הגז צריך להיות צפוף יותר.'
זה דורש עוד אאוריקה.
השוואה של מודל MCPM שלנו למודל Max-PM של ג'ונס, עוד סימולציה בקנה מידה גדול, בפרוסה של 30 Mpc ממערך הנתונים של BP. תן ואמצע הם מהמחקר, הימין הוא מהדגם השני, לשם השוואה. לא החדות ההולכת וגוברת משמאל לימין כאשר שכפול נימה נסחרת תמורת מורכבות מבנית. קרדיט תמונה: Burchett et al 2020.
'לראשונה כעת, אנו יכולים לכמת את הצפיפות של המדיום הבין-גלקטי מהפאתי המרוחקים של חוטי רשת קוסמיים ועד לפנים החמים והצפופים של צבירי גלקסיות', אמר בורצ'ט. 'תוצאות אלו לא רק מאשרות את מבנה הרשת הקוסמית שנחזה על ידי מודלים קוסמולוגיים, הן גם נותנות לנו דרך לשפר את הבנתנו את התפתחות הגלקסיות על ידי חיבורה עם מאגרי הגז שמתוכם נוצרות גלקסיות'.
מחקר זה מראה מה ניתן להשיג כאשר חוקרים שונים יוצאים מהמגורות שלהם ומשתפים פעולה באמצעות דיסציפלינות שונות. קוסמולוגיה, אסטרונומיה, תכנות מחשבים, ביולוגיה ואפילו אמנות, כולם תרמו לתוצאה המעניינת ביותר הזו.
'אני חושב שיכולות להיות הזדמנויות אמיתיות כשאתה משלב את האמנויות במחקר מדעי', אמר מחבר שותף אנגוס פורבס ממעבדת UCSC Creative Coding. 'גישות יצירתיות למידול והצגה של נתונים יכולות להוביל לנקודות מבט חדשות שעוזרות לנו להבין מערכות מורכבות.'