Materie im Universum ist nicht gleichmäßig verteilt. Es wird dominiert von Superclustern und den Filamenten der Materie, die sie aneinander reihen, umgeben von riesigen Hohlräumen. Galaxy Super-Cluster stehen an der Spitze der Hierarchie. Darin befindet sich alles andere: Galaxiengruppen und -cluster, einzelne Galaxien und Sonnensysteme. Diese hierarchische Struktur wird als "Cosmic Web" bezeichnet.
Aber wie und warum hat das Universum diese Form angenommen?
Ein Team von Astronomen und Informatikern an der University of California in Santa Cruz verfolgte einen interessanten Ansatz, um dies herauszufinden. Sie bauten ein Computermodell auf der Grundlage der Wachstumsmuster von Schleimpilzen. Dies ist nicht das erste Mal, dass Schleimpilze dazu beitragen, andere Muster in der Natur zu erklären.
Das Team hat eine Studie mit dem Titel „Enthüllung der dunklen Fäden des kosmischen Netzes“ veröffentlicht. Der Hauptautor ist Joseph Burchett, ein Postdoktorand in Astronomie und Astrophysik an der UC Santa Cruz. Die Studie wurde in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
Die moderne kosmologische Theorie sagt voraus, dass Materie die Form dieser Supercluster und Filamente und der riesigen Hohlräume annehmen wird, die sie trennen. Bis in die 1980er Jahre glaubten die Wissenschaftler jedoch, dass Galaxienhaufen die größte Struktur darstellen, und sie glaubten auch, dass diese Haufen gleichmäßig im gesamten Universum verteilt waren.
Dann wurden Supercluster entdeckt. Dann Gruppen von Quasaren. Es ging weiter, mit immer mehr Entdeckungen von Strukturen und Hohlräumen. Dann kamen die Sloan Digital Sky Survey und eine riesige 3D-Karte des Universums sowie andere Bemühungen wie die Millennium Simulation.
Die Materiefilamente, die all diese Supercluster und Galaxiengruppen verbinden, sind schwer zu erkennen. Zum größten Teil ist es nur diffuser Wasserstoff. Aber Astronomen haben es geschafft, einen Blick darauf zu erhaschen.
Betreten Sie die Schleimpilz. Schleimpilze sind einzellige Organismen, die als Einzelzellen perfekt leben, aber auch autonom aggregierte mehrzellige Strukturen bilden. Wenn es reichlich zu essen gibt, handeln sie alleine, aber wenn das Essen knapper ist, schließen sie sich zusammen. Im kollektiven Zustand können sie Chemikalien besser erkennen, Nahrung finden und können sogar Stiele bilden, die Sporen produzieren.
Schleimpilze sind bemerkenswerte Kreaturen, und Wissenschaftler waren verwirrt und fasziniert von der Fähigkeit der Kreatur, „optimale Verteilungsnetzwerke zu schaffen und rechnerisch schwierige räumliche Organisationsprobleme zu lösen“, heißt es in einer Pressemitteilung. Im Jahr 2018 berichteten japanische Wissenschaftler, dass ein Schleimpilz das Layout des Schienensystems in Tokio nachbilden konnte.
Oskar Elek ist Postdoktorand in Computermedien an der Universität von C, Santa Cruz. Er schlug dem Hauptautor Joseph Burchett vor, dass Schleimpilze die kosmische Verteilung von Materie nachahmen und eine Möglichkeit bieten könnten, sie zu visualisieren.
Burchett war anfangs skeptisch.
"Das war eine Art Eureka-Moment, und ich war überzeugt, dass das Schleimpilzmodell der Weg nach vorne für uns war."
Joseph Burchett, Hauptautor. U von C, Santa Cruz.
Ausgehend von der 2D-Inspiration aus der Kunstwelt entwickelten Elek und ein anderer Programmierer einen 3D-Algorithmus für das Verhalten von Schleimpilzen, den sie Monte-Carlo-Physarum-Maschine nennen. Physarum ist ein Modellorganismus, der in allen Arten von Forschung verwendet wird.
Burchett beschloss, Elek-Daten aus der Sloan Digital Sky Survey zu geben, die 37.000 Galaxien und ihre Verteilung im Weltraum enthielten. Als sie den Schleimpilzalgorithmus ausführten, war das Ergebnis „eine ziemlich überzeugende Darstellung des kosmischen Netzes“.
"Das war eine Art Eureka-Moment, und ich war überzeugt, dass das Schleimpilzmodell der Weg nach vorne für uns war", sagte Burchett. "Es ist etwas zufällig, dass es funktioniert, aber nicht ganz. Ein Schleimpilz schafft ein optimiertes Transportnetzwerk und findet die effizientesten Wege, um Nahrungsquellen miteinander zu verbinden. Im kosmischen Netz erzeugt das Wachstum der Struktur Netzwerke, die in gewissem Sinne auch optimal sind. Die zugrunde liegenden Prozesse sind unterschiedlich, aber sie erzeugen analoge mathematische Strukturen. “
Obwohl es überzeugend ist, war der Schleimpilz nur eine visuelle Darstellung der großräumigen Struktur. Das Team hat hier nicht aufgehört. Sie verfeinerten den Algorithmus und führten zusätzliche Tests durch, um zu versuchen, ihr Modell zu validieren.
Hier kommt die Dunkle Materie ins Spiel. In einer Hinsicht ist die großräumige Struktur des Universums die großräumige Verteilung der Dunklen Materie. Galaxien bilden sich in massiven Lichthöfen aus Dunkler Materie, die von langen Filamentstrukturen verbunden sind. Dunkle Materie macht etwa 85% der Materie im Universum aus, und die Anziehungskraft all dieser Dunklen Materie beeinflusst die Verteilung der „regulären“ Materie.
Das Forscherteam erhielt einen Katalog von Halos aus dunkler Materie aus einer anderen wissenschaftlichen Simulation. Dann führten sie ihren Schleimform-basierten Algorithmus mit diesen Daten aus, um zu sehen, ob er das Filamentnetzwerk replizieren könnte, das all diese Halos verbindet. Das Ergebnis war eine sehr enge Korrelation mit der ursprünglichen Simulation.
"Beginnend mit 450.000 Halos aus dunkler Materie können wir eine nahezu perfekte Anpassung an die Dichtefelder in der kosmologischen Simulation erzielen", sagte Elek in der Pressemitteilung.
Der Schleimpilzalgorithmus replizierte das Filamentnetzwerk, und die Forscher verwendeten diese Ergebnisse, um ihren Algorithmus weiter zu optimieren.
Zu diesem Zeitpunkt besaß das Team eine Vorhersage der Struktur der großräumigen Struktur und des kosmischen Netzes, das alles verbindet. Der nächste Schritt bestand darin, es mit einem anderen Satz von Beobachtungsdaten zu vergleichen. Dafür gingen sie zum ehrwürdigen Hubble-Weltraumteleskop. Der Cosmic Origins Spectrograph (COS) dieses Teleskops untersucht die großräumige Struktur des Universums durch Spektroskopie intergalaktischen Gases. Dieses Gas emittiert kein eigenes Licht, daher ist Spektroskopie der Schlüssel. Anstatt sich auf das Gas selbst zu konzentrieren, untersucht das COS das Licht entfernter Quasare beim Durchgang durch das Gas und wie das intergalaktische Gas dieses Licht beeinflusst.
"Wir wussten, wo sich die Filamente des kosmischen Netzes dank der Schleimpilz befinden sollten, sodass wir in den archivierten Hubble-Spektren nach den Quasaren suchen konnten, die diesen Raum untersuchen und nach den Signaturen des Gases suchen", erklärte Burchett. "Wo immer wir in unserem Modell ein Filament sahen, zeigten die Hubble-Spektren ein Gassignal, und das Signal wurde zur Mitte der Filamente hin stärker, wo das Gas dichter sein sollte."
Das erfordert eine weitere Eureka.
"Zum ersten Mal können wir jetzt die Dichte des intergalaktischen Mediums vom fernen Rand kosmischer Netzfilamente bis zum heißen, dichten Inneren von Galaxienhaufen quantifizieren", sagte Burchett. "Diese Ergebnisse bestätigen nicht nur die Struktur des kosmischen Netzes, die von kosmologischen Modellen vorhergesagt wird, sondern geben uns auch die Möglichkeit, unser Verständnis der Galaxienentwicklung zu verbessern, indem wir es mit den Gasspeichern verbinden, aus denen sich Galaxien bilden."
Diese Studie zeigt, was erreicht werden kann, wenn verschiedene Forscher aus ihren Silos kommen und in verschiedenen Disziplinen zusammenarbeiten. Kosmologie, Astronomie, Computerprogrammierung, Biologie und sogar Kunst haben zu diesem interessantesten Ergebnis beigetragen.
"Ich denke, es kann echte Chancen geben, wenn Sie die Künste in die wissenschaftliche Forschung integrieren", sagte Co-Autor Angus Forbes vom UCSC Creative Coding Lab. „Kreative Ansätze zur Modellierung und Visualisierung von Daten können zu neuen Perspektiven führen, die uns helfen, komplexe Systeme zu verstehen.“
Mehr:
- Pressemitteilung: Astronomen verwenden Schleimformmodelle, um dunkle Fäden des kosmischen Netzes freizulegen
- Forschungsbericht: Aufdeckung der dunklen Fäden des kosmischen Netzes
- Space Magazine: Neue 3D-Karte zeigt großräumige Strukturen im Universum vor 9 Milliarden Jahren
