Perkara di Alam Semesta tidak diedarkan sama rata. Ini dikuasai oleh kelompok super dan filamen jirim yang menyatukannya, dikelilingi oleh rongga besar. Kluster super Galaxy berada di puncak hierarki. Di dalamnya terdapat segalanya: kumpulan galaksi dan kelompok, galaksi individu, dan sistem suria. Struktur hierarki ini disebut "Web Kosmik."
Tetapi bagaimana dan mengapa Alam Semesta mengambil bentuk ini?
Sekumpulan ahli astronomi dan saintis komputer di University of California Santa Cruz mengambil pendekatan menarik untuk mengetahui. Mereka membina model komputer berdasarkan corak pertumbuhan acuan lendir. Ini bukan kali pertama cendawan lendir membantu menjelaskan corak lain dalam bentuk semula jadi.
Pasukan ini telah menerbitkan sebuah kajian yang menguraikan hasil mereka yang berjudul "Mengungkap Dark Threads dari Cosmic Web." Penulis utama adalah Joseph Burchett, penyelidik pasca doktoral dalam bidang astronomi dan astrofizik di UC Santa Cruz. Kajian ini diterbitkan dalam The Astrophysical Journal Letters.
Teori kosmologi moden meramalkan bahawa jirim akan berbentuk kluster dan filamen super ini, dan ruang kosong yang memisahkannya. Tetapi hingga tahun 1980-an, para saintis berpendapat bahawa gugus galaksi adalah struktur terbesar, dan mereka juga berpendapat bahawa kelompok itu diedarkan secara merata ke seluruh Alam Semesta.
Kemudian kluster super ditemui. Kemudian kumpulan quasar. Selanjutnya, dengan semakin banyak penemuan struktur dan kekosongan. Kemudian datanglah Sloan Digital Sky Survey dan Peta 3D Semesta yang besar, dan usaha lain seperti Millennium Simulation.
Filamen jirim yang menghubungkan semua kelompok super dan kumpulan galaksi ini sukar dilihat. Sebahagian besarnya, hidrogen hanya meresap. Tetapi ahli astronomi berjaya melihatnya.
Masukkan acuan lendir. Acuan lendir adalah organisma bersel tunggal yang hidup dengan sempurna sebagai sel tunggal, tetapi juga secara autonomi membentuk struktur pelbagai sel agregat. Apabila makanan banyak, mereka bertindak sendirian, tetapi ketika makanan lebih jarang, mereka bersatu. Dalam keadaan kolektif mereka lebih baik mengesan bahan kimia, mencari makanan, dan bahkan dapat membentuk tangkai yang menghasilkan spora.
Cetakan lendir adalah makhluk yang luar biasa, dan para saintis bingung dan tertarik dengan kemampuan makhluk itu untuk "membuat rangkaian pengedaran yang optimum dan menyelesaikan masalah organisasi spasial yang sukar dikira," kata siaran akhbar. Pada tahun 2018, saintis Jepun melaporkan bahawa acuan lendir dapat meniru susun atur sistem rel Tokyo.
Oskar Elek adalah penyelidik pasca doktoral di media komputasi di U of C, Santa Cruz. Dia mencadangkan kepada penulis utama Joseph Burchett bahawa cetakan lendir mungkin dapat meniru taburan jirim kosmik dan menyediakan cara untuk membayangkannya.
Burchett pada awalnya ragu-ragu.
"Itu adalah momen Eureka, dan saya menjadi yakin bahawa model acuan lendir adalah jalan maju bagi kita."
Joseph Burchett, Pengarang utama. U of C, Santa Cruz.
Dengan menggunakan inspirasi 2-D dari dunia seni, Elek dan pengaturcara lain mencipta algoritma 3-D tingkah laku acuan lendir yang mereka namakan Monte Carlo Physarum Machine. Physarum adalah organisma model yang digunakan dalam pelbagai jenis penyelidikan.
Burchett memutuskan untuk memberikan data Elek dari Sloan Digital Sky Survey yang mengandungi 37,000 galaksi dan sebarannya di angkasa. Ketika mereka menjalankan algoritma cetakan lendir, hasilnya adalah "representasi web kosmik yang cukup meyakinkan."
"Itu adalah momen Eureka, dan saya menjadi yakin bahawa model acuan lendir adalah jalan maju bagi kita," kata Burchett. "Kebetulan ia berfungsi, tetapi tidak sepenuhnya. Cetakan lendir menghasilkan rangkaian pengangkutan yang dioptimumkan, mencari jalan paling berkesan untuk menghubungkan sumber makanan. Dalam web kosmik, pertumbuhan struktur menghasilkan rangkaian yang, dari satu segi, juga optimum. Proses yang mendasari berbeza, tetapi menghasilkan struktur matematik yang serupa. "
Tetapi walaupun menarik, cendawan lendir itu hanyalah gambaran visual struktur skala besar. Pasukan tidak berhenti di situ. Mereka menyempurnakan algoritma dan melakukan ujian tambahan untuk cuba mengesahkan model mereka.
Di sinilah Dark Matter memasuki cerita. Dalam satu cara, struktur skala besar Alam Semesta adalah penyebaran skala besar Dark Matter. Galaksi terbentuk dalam lingkaran besar Dark Matter, dengan struktur filamen panjang yang menghubungkannya. Dark Matter merangkumi sekitar 85% jirim di Alam Semesta, dan tarikan graviti dari semua yang Dark Matter membentuk penyebaran bahan "biasa".
Pasukan penyelidik mendapat katalog halo bahan gelap dari simulasi saintifik yang lain. Kemudian mereka menjalankan algoritma berasaskan slime-acuan mereka dengan data tersebut, untuk melihat apakah ia dapat meniru rangkaian filamen yang menghubungkan semua halo tersebut. Hasilnya adalah korelasi yang sangat ketat dengan simulasi asal.
"Bermula dengan 450.000 halo materi gelap, kita dapat menyesuaikan hampir dengan bidang kepadatan dalam simulasi kosmologi," kata Elek dalam siaran media.
Algoritma slime mold mereplikasi rangkaian filamental, dan para penyelidik menggunakan hasil tersebut untuk menyempurnakan algoritma mereka.
Pada ketika itu, pasukan mempunyai ramalan mengenai struktur struktur skala besar dan web kosmik yang menghubungkan semuanya. Langkah seterusnya adalah membandingkannya dengan kumpulan data pemerhatian yang berbeza. Untuk ini, mereka pergi ke Teleskop Angkasa Hubble yang dihormati. Spektrograf Asal Kosmik (COS) teleskop itu mengkaji struktur skala besar Alam Semesta melalui spektroskopi gas intergalaksi. Gas itu tidak mengeluarkan cahaya sendiri, jadi spektroskopi adalah kunci. Daripada memusatkan perhatian pada gas itu sendiri, COS mengkaji cahaya dari kuarsa jauh ketika melewati gas, dan bagaimana gas intergalaksi mempengaruhi cahaya itu.
"Kami tahu di mana filamen web kosmik harus berkat cetakan lendir, jadi kami dapat pergi ke spektrum Hubble yang diarkibkan untuk quasar yang menyelidiki ruang itu dan mencari tanda tangan gas," jelas Burchett. "Di mana pun kami melihat filamen dalam model kami, spektrum Hubble menunjukkan isyarat gas, dan sinyal menjadi lebih kuat ke arah tengah filamen di mana gas harus lebih padat."
Itu memerlukan Eureka yang lain.
"Untuk pertama kalinya sekarang, kami dapat mengukur ketumpatan medium intergalaksi dari pinggiran terpencil filamen web kosmik ke bahagian dalam gugus galaksi yang panas dan padat," kata Burchett. "Hasil ini tidak hanya mengesahkan struktur web kosmik yang diramalkan oleh model kosmologi, tetapi juga memberi kita cara untuk meningkatkan pemahaman kita tentang evolusi galaksi dengan menghubungkannya dengan takungan gas dari mana galaksi terbentuk."
Kajian ini menunjukkan apa yang dapat dicapai apabila penyelidik yang berbeza keluar dari silo mereka dan bekerjasama melalui pelbagai disiplin ilmu. Kosmologi, astronomi, pengaturcaraan komputer, biologi, dan bahkan seni, semuanya menyumbang kepada hasil yang paling menarik ini.
"Saya rasa boleh ada peluang nyata ketika anda mengintegrasikan seni ke dalam penyelidikan saintifik," kata pengarang bersama Angus Forbes dari makmal UCSC Creative Coding. "Pendekatan kreatif untuk pemodelan dan visualisasi data dapat menghasilkan perspektif baru yang membantu kita memahami sistem yang kompleks."
Lagi:
- Siaran Akhbar: Ahli astronomi menggunakan model acuan lendir untuk mendedahkan benang gelap dari web kosmik
- Kertas Penyelidikan: Mendedahkan Benang Gelap dari Web Kosmik
- Space Magazine: Peta 3-D Baru Menunjukkan Struktur Skala Besar di Alam Semesta 9 Billion Tahun Lalu
