Astronomer bruger slimforme til at afsløre mørke tråde i det kosmiske net

En beregningsmetode inspireret af vækstmønstrene i en lys gul slimskimmel har gjort det muligt for et hold af astronomer og dataloger ved UC Santa Cruz at spore filamenterne i det kosmiske net, der forbinder galakser i hele universet.

Deres resultater, udgivet 10. marts i Astrofysiske tidsskriftsbreve , give den første afgørende sammenhæng mellem den diffuse gas i rummet mellem galakser og storskalastrukturen af ​​det kosmiske væv forudsagt af kosmologisk teori.

Ifølge den fremherskende teori, som universet udviklede sig efter big bang, stof blev fordelt i et net-lignende netværk af indbyrdes forbundne filamenter adskilt af enorme hulrum. Lysende galakser fulde af stjerner og planeter dannet ved skæringspunkterne og tætteste områder af filamenterne, hvor stoffet er mest koncentreret. Filamenterne af diffus brintgas, der strækker sig mellem galakserne, er stort set usynlige, selvom astronomer har formået at skimte dele af dem.

Ingen af ​​dem ser ud til at have noget at gøre med en ydmyg slimskimmel kaldet Physarum polycephalum, findes typisk voksende på rådnende træstammer og løvstrøelse på skovbunden og danner nogle gange svampede gule masser på græsplæner. Men Physarum har en lang historie med at overraske videnskabsmænd med sin evne til at skabe optimale distributionsnetværk og løse beregningsmæssige vanskelige rumlige organisationsproblemer. I et berømt eksperiment, en slimskimmel gentog layoutet af Japans jernbanesystem ved at forbinde fødevarekilder, der er arrangeret til at repræsentere byerne omkring Tokyo.

Joe Burchett, en postdoc forsker i astronomi og astrofysik ved UC Santa Cruz, havde ledt efter en måde at visualisere det kosmiske web på i stor skala, men han var skeptisk, da Oskar Elek, en postdoc forsker i computermedier, foreslået at bruge en Physarum-baseret algoritme. Trods alt, helt andre kræfter former det kosmiske spind og væksten af ​​en slimskimmel.

Men Elek, som altid har været fascineret af mønstre i naturen, var blevet imponeret over Physarum "biofabrikationer" af den Berlin-baserede kunstner Sage Jenson. Startende med den 2-dimensionelle Physarum-model, Jenson brugte (oprindeligt udviklet i 2010 af Jeff Jones), Elek og en ven (programmør Jan Ivanecky) udvidede det til tre dimensioner og lavede yderligere ændringer for at skabe en ny algoritme, de kaldte Monte Carlo Physarum Machine.

Burchett gav Elek et datasæt på 37, 000 galakser fra Sloan Digital Sky Survey (SDSS), og når de anvendte den nye algoritme på det, resultatet var en ret overbevisende repræsentation af det kosmiske web.

"Det var noget af et Eureka-øjeblik, og jeg blev overbevist om, at slimformmodellen var vejen frem for os, " sagde Burchett. "Det er lidt tilfældigt, at det virker, men ikke helt. En slimform skaber et optimeret transportnetværk, finde de mest effektive veje til at forbinde fødekilder. I det kosmiske web, væksten af ​​struktur producerer netværk, der også i en vis forstand, optimal. De underliggende processer er forskellige, men de producerer matematiske strukturer, der er analoge."

Elek bemærkede også, at "den model, vi udviklede, er flere lag af abstraktion væk fra dens oprindelige inspiration."

Selvfølgelig, en stærk visuel lighed mellem modelresultaterne og den forventede struktur af det kosmiske væv beviser ikke noget. Forskerne udførte en række tests for at validere modellen, mens de fortsatte med at forfine den.

Indtil nu, de bedste repræsentationer af det kosmiske web er opstået fra computersimuleringer af udviklingen af ​​struktur i universet, viser fordelingen af ​​mørkt stof på store skalaer, inklusive de massive mørkt stof-haloer, hvori galakser dannes, og de filamenter, der forbinder dem. Mørkt stof er usynligt, men det udgør omkring 85 procent af stoffet i universet, og tyngdekraften får almindeligt stof til at følge fordelingen af ​​mørkt stof.

Burchetts team brugte data fra Bolshoi-Planck kosmologiske simulering - udviklet af Joel Primack, professor emeritus i fysik ved UC Santa Cruz, og andre - for at teste Monte Carlo Physarum-maskinen. Efter at have udtrukket et katalog over mørkt stof-haloer fra simuleringen, de kørte algoritmen til at rekonstruere nettet af filamenter, der forbinder dem. Da de sammenlignede resultatet af algoritmen med den originale simulering, de fandt en tæt sammenhæng. Slimskimmelmodellen replikerede i det væsentlige nettet af filamenter i simuleringen af ​​mørkt stof, og forskerne var i stand til at bruge simuleringen til at finjustere parametrene for deres model.

"Begynder med 450, 000 glorier af mørkt stof, vi kan få en næsten perfekt pasform til tæthedsfelterne i den kosmologiske simulering, " sagde Elek.

Burchett udførte også, hvad han kaldte et "sundhedstjek, " at sammenligne SDSS-galaksernes observerede egenskaber med gastæthederne i det intergalaktiske medium forudsagt af slimskimmelmodellen. Stjernedannelsesaktivitet i en galakse bør korrelere med tætheden af ​​dens galaktiske miljø, og Burchett var lettet over at se de forventede sammenhænge.

Nu havde holdet en forudsagt struktur for det kosmiske web, der forbinder de 37, 000 SDSS galakser, som de kunne teste mod astronomiske observationer. For det, de brugte data fra Hubble-rumteleskopets Cosmic Origins Spectrograph. Intergalaktisk gas efterlader en karakteristisk absorptionssignatur i lysspektret, der passerer gennem den, og sigtelinjerne fra hundredvis af fjerne kvasarer gennemborer det rumfang, der er optaget af SDSS-galakserne.

"Vi vidste, hvor filamenterne i det kosmiske væv skulle være takket være slimformen, så vi kunne gå til de arkiverede Hubble-spektre for kvasarerne, der undersøger rummet og lede efter gassens signaturer, " Forklarede Burchett. "Hvor end vi så en glødetråd i vores model, Hubble-spektrene viste et gassignal, og signalet blev stærkere mod midten af ​​filamenter, hvor gassen skulle være tættere."

I de tætteste egne, imidlertid, signalet faldt. Dette svarede også til forventningerne, han sagde, fordi opvarmning af gassen i disse områder ioniserer brinten, fjernelse af elektroner og eliminering af absorptionssignaturen.

"For første gang nu, vi kan kvantificere tætheden af ​​det intergalaktiske medium fra den fjerne udkant af kosmiske netfilamenter til det varme, tætte indre af galaksehobe, " sagde Burchett. "Disse resultater bekræfter ikke kun strukturen af ​​det kosmiske web forudsagt af kosmologiske modeller, de giver os også en måde at forbedre vores forståelse af galakseudviklingen ved at forbinde den med de gasreservoirer, som galakserne dannes ud af."

Burchett og Elek mødtes gennem medforfatter Angus Forbes, en lektor i computational media og direktør for UCSC Creative Coding lab i Baskin School of Engineering. Burchett og Forbes var begyndt at samarbejde efter at have mødtes til en åben mikrofonaften for musikere i Santa Cruz, med fokus i første omgang på en datavisualiseringsapp, som de udgav sidste år.

Forbes introducerede også Elek til Sage Jensons arbejde, ikke fordi han troede det ville gælde Burchetts kosmiske web-projekt, men fordi "han vidste, at jeg var en naturmønsterfreak, " sagde Elek.

Medforfatter J. Xavier Prochaska, en professor i astronomi og astrofysik ved UCSC, der har udført banebrydende arbejde ved at bruge kvasarer til at undersøge strukturen af ​​det intergalaktiske medium, sagde, "Denne kreative teknik og dens uventede succes fremhæver værdien af ​​tværfaglige samarbejder, hvor helt andre perspektiver og ekspertise bringes i anvendelse på videnskabelige problemer."

Forbes' Creative Coding-laboratorium kombinerer tilgange fra mediekunst, design, og datalogi. "Jeg tror, ​​der kan være reelle muligheder, når man integrerer kunsten i videnskabelig forskning, "Forbes sagde. "Kreative tilgange til modellering og visualisering af data kan føre til nye perspektiver, der hjælper os med at forstå komplekse systemer."