Поведение одного из самых маленьких созданий природы помогает астрономам исследовать самые большие структуры во Вселенной

Одноклеточный организм, известный как слизистая плесень или слизевик (Physarum polycephalum), в поисках пищи способен строить сложные нитевидные сети, находя практически оптимальные пути для доступа в различные места. При формировании Вселенной гравитация создает обширную паутинную структуру нитей, связывающих вместе галактики и скопления галактик в виде “тонких” мостиков длиной в сотни миллионов световых лет. Существует поразительное сходство между этими двумя сетями, но одна создана биологической эволюцией, а другая – первородной гравитационной силой.

Космическая паутина – это крупномасштабная основа космоса, состоящая в основном из таинственной субстанции, известной как тёмная материя и окружённой газом, на основе которого формируются галактики. Тёмную материю нельзя увидеть, но она составляет основную массу вещества вселенной. На существование паутинной структуры вселенной исследователи впервые наткнулись в 1985 году в ходе исследования красного смещения, проведённого Гарвард-Смитсоновским центром астрофизики. Со времени этих исследований, благодаря современным обзорам всего неба, мы можем оценить грандиозный масштаб этой нитевидной структуры. А сами нити образуют границы между большими пустотами во вселенной.

Но астрономам было трудно найти эти неуловимые филаменты, потому что газ, составляющие их, настолько тусклый, что его трудно обнаружить. Но недавно команда исследователей обратилась к исследованию жизненного цикла слизевиков, чтобы помочь построить карту нитей в локальной вселенной (то есть в пределах 500 миллионов световых лет от Земли) и найти газ, находящийся внутри них.

Пример работы симуляции. Источник: NASA, ESA, and J. Burchett and O. Elek (UC Santa Cruz)

Исследователи разработали компьютерный алгоритм, основанный на симуляции поведения слизевиков, и протестировали его на процессе компьютерного моделирования роста нитей тёмной материи во вселенной. Можно сказать, что такой алгоритм подобен рецепту, который точно говорит компьютеру, какие шаги предпринять для решения проблемы.

Затем исследователи применили алгоритм слизевика к данным, содержащим информацию о местоположении 37000 галактик, нанесенных на карту с помощью Sloan Digital Sky Survey на расстояниях, соответствующих 300 миллионам световых лет. На основе этих данных алгоритму удалось создать трёхмерную карту структуры космической паутины.

После учёные проанализировали ультрафиолетовое излучение от 350 квазаров, расположенных на гораздо более дальних расстояниях в миллиарды световых лет и занесённых в каталог архива наследия телескопа “Хаббл”, в котором хранятся данные со спектрографов этого космического прибора. Эти далекие космические “фонари” являются светящимися ядрами активных галактик, питаемыми чёрными дырами, свет которых распространяется в космосе и проходит через космическую паутину переднего плана. В спектре этого света был запечатлён характерный след поглощения необнаруженного ранее водорода, который команда проанализировала в определенных точках вдоль нитей. Эти целевые точки находятся далеко от галактик, что позволило исследовательской группе связать газ именно с крупномасштабной структурой Вселенной.

“Очень интересно, что одна из простейших форм жизни по-настоящему позволяет проникнуть в самые крупномасштабные структуры во вселенной. Используя имитацию жизненного цикла слизевика для того, чтобы выявить расположение нитей космической паутины, в том числе расположенных далеко от галактик, мы могли бы затем использовать архивные данные космического телескопа “Хаббл” для выявления и оценки плотности холодного газа на окраинах этих невидимых нитей. В течение нескольких десятилетий учёные находили сигнатуры этого газа, а мы доказали теоретическое предположение, что этот газ входит в состав космических филаментов”, – ведущий исследователь Джозеф Берчетт из Калифорнийского университета.

Исследование также подтверждает, что более плотные области межгалактического газа организованы в нити, которые, как обнаружила команда специалистов, простираются более чем на десять миллионов световых лет в сторону от галактик. Это расстояние более чем в сто раз превышает диаметр нашей галактики Млечный Путь.

Исследователи обратились к моделированию жизненного цикла слизевиков, когда искали способ визуализировать теоретическую связь между структурой космической паутины и холодным газом, обнаруженным в предыдущих спектроскопических исследованиях “Хаббла”.

Затем, член команды Оскар Элек, специалист по вычислительным программам в Калифорнийском университете, обнаружил в интернете работу Сейджа Дженсона, немецкого медиахудожника. Среди работ Дженсона были завораживающие художественные визуализации, показывающие рост щупальцеобразной сети слизевиков, ищущих пищу. Искусство Дженсона было основано на научных исследованиях, которые подробно описали алгоритм для моделирования роста слизевика.

Исследовательская группа отметила поразительное сходство между тем, как слизевик строит сложные нити для захвата новой пищи, и тем, как гравитация, формируя вселенную, строит космические нити филаментов между галактиками и скоплениями галактик.

На основе моделирования Элек разработал трёхмерную компьютерную модель накопления для оценки расположения нитевидной структуры космической паутины.

Хотя использование имитационного моделирования, вдохновлённого слизью, чтобы точно определить крупнейшие структуры вселенной, на первый взгляд может показаться странным, учёные использовали компьютерные модели этих микроорганизмов, а также выращивали их в чашках Петри в лаборатории, чтобы решить такие сложные проблемы, как поиск наиболее эффективных маршрутов движения в больших городах, решение лабиринтов и определение маршрутов эвакуации толпы.

“Это трудные задачи для человека, не говоря уже о компьютерном алгоритме. Вы видите, особенно на карте галактик в локальной вселенной По данным Слоуна, где должны быть филаменты. Модель слизевика прекрасно соответствует этой интуиции. Структура, которая, как вы предполагаете, должна быть там, внезапно обнаруживается компьютерным алгоритмом. Пока ещё не было другого известного метода, который был бы хорошо приспособлен решению проблемы нашего исследования”.

Исследователи говорят, что очень трудно разработать надежный алгоритм для нахождения нитей в таком большом исследовании галактик.

“Так что довольно удивительно видеть, как виртуальный слизевик даёт нам очень близкое понимание всего за несколько минут. Вы можете буквально наблюдать, как он растёт. Для сравнения, выращивание организма в чашке Петри занимает несколько дней. Слизевик, на самом деле, имеет очень особый вид интеллекта для решения этой пространственной задачи. В конце концов, это очень важно для его выживания”.

По информации Института исследования космоса с помощью космического телескопа.

Источник: theuniversetimes.ru

Добавить комментарий

В начало