Slijmvormsimulaties die worden gebruikt om het universum van donkere materie samen te brengen

[univers]

Het gedrag van een van de nederigste wezens van de natuur helpt astronomen de grootste structuren in het universum te onderzoeken.

Het eencellige organisme, bekend als slijmschimmel (Physarum polycephalum), bouwt complexe filamentaire netwerken op zoek naar voedsel en vindt bijna optimale paden om verschillende locaties te verbinden. Bij het vormgeven van het universum bouwt de zwaartekracht een enorme spinnenwebstructuur van filamenten die sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels samenbinden langs zwakke bruggen van honderden miljoenen lichtjaren lang. Er is een griezelige gelijkenis tussen de twee netwerken: een gemaakt door biologische evolutie en de andere door de oorspronkelijke zwaartekracht.

Het kosmische web is de grootschalige ruggengraat van de kosmos, voornamelijk bestaande uit de mysterieuze substantie bekend als donkere materie en doorspekt met gas, waarop sterrenstelsels worden gebouwd. Donkere materie kan niet worden gezien, maar het vormt het grootste deel van het materiaal van het universum. Het bestaan ​​van een webachtige structuur voor het universum werd voor het eerst gesuggereerd in de Redshift Survey van 1985 in het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Sinds die studies is de grootschaligheid van deze gloeidraadstructuur gegroeid in latere luchtonderzoeken. De gloeidraden vormen de grenzen tussen grote leegtes in het universum.

Maar astronomen hebben het moeilijk gehad om deze ongrijpbare strengen te vinden, omdat het gas zo zwak is dat het moeilijk te detecteren is. Nu is een team van onderzoekers overgegaan op slijmvorm om hen te helpen een kaart te maken van de filamenten in het lokale universum (binnen 500 miljoen lichtjaar van de aarde) en het gas erin te vinden.

Ze ontwierpen een computeralgoritme, geïnspireerd door slijmzwamgedrag, en testten het tegen een computersimulatie van de groei van donkere materie filamenten in het universum. Een computeralgoritme is vergelijkbaar met een recept dat een computer precies vertelt welke stappen hij moet nemen om een ​​probleem op te lossen.

De onderzoekers pasten vervolgens het slijmschimmelalgoritme toe op gegevens met de locaties van 37.000 sterrenstelsels in kaart gebracht door de Sloan Digital Sky Survey op afstanden die overeenkomen met 300 miljoen lichtjaar. Het algoritme produceerde een driedimensionale kaart van de onderliggende kosmische webstructuur.

Vervolgens analyseerden ze het ultraviolette licht van 350 quasars (op veel grotere afstanden van miljarden lichtjaren), gecatalogiseerd in het Hubble Spectroscopic Legacy Archive, dat de gegevens bevat van de spectrografen van NASA's Hubble Space Telescope. Deze verre kosmische zaklampen zijn de briljante kernen met zwarte gaten van actieve sterrenstelsels, waarvan het licht door de ruimte en door het kosmische web op de voorgrond schijnt. Op dat licht stond de kenmerkende absorptiehandtekening van anders niet-gedetecteerd waterstofgas dat het team op specifieke punten langs de gloeidraden analyseerde. Deze doellocaties liggen ver van de sterrenstelsels, waardoor het onderzoeksteam het gas kon koppelen aan de grootschalige structuur van het universum.


Astronomen zijn creatief geworden in het traceren van het ongrijpbare kosmische web, de grootschalige ruggengraat van de kosmos. Onderzoekers wendden zich tot slijm, een eencellig organisme dat op aarde wordt gevonden, om hen te helpen bij het bouwen van een kaart van de filamenten in het lokale universum (binnen 500 miljoen lichtjaar van de aarde) en het gas erin te vinden. De onderzoekers ontwierpen een computeralgoritme geïnspireerd op het gedrag van het organisme en pasten dit toe op gegevens met de posities van 37.000 melkwegstelsels ("voedsel" voor de slijmzwam) in kaart gebracht door de Sloan Digital Sky Survey. Het algoritme produceerde een driedimensionale kaart van het ingewikkelde filamentaire netwerk van het onderliggende kosmische web, de paarse structuur in de afbeelding. De drie sets inzetbakken tonen enkele van die individuele sterrenstelsels die werden "gevoed" aan de slijmvorm en de draadvormige structuur die hen verbindt. De sterrenstelsels worden weergegeven door de gele stippen in drie van de inzetbeelden. Naast elke momentopname van de Melkweg staat een afbeelding van de sterrenstelsels met daarop de verbindende strengen van het kosmische web (paars).
Credits: NASA, ESA en J. Burchett en O. Elek (UC Santa Cruz)
"Het is echt fascinerend dat een van de eenvoudigste vormen van leven inzicht in de meest grootschalige structuren in het universum mogelijk maakt," zei hoofdonderzoeker Joseph Burchett van de Universiteit van Californië (UC), Santa Cruz. "Door de slijmschimmelsimulatie te gebruiken om de locatie van de kosmische webfilamenten te vinden, inclusief die ver van sterrenstelsels, kunnen we vervolgens de archiveringsgegevens van de Hubble Space Telescope gebruiken om de dichtheid van het koele gas aan de rand van die gebieden te detecteren en te bepalen onzichtbare filamenten. Wetenschappers detecteren al tientallen jaren handtekeningen van dit gas en we hebben de theoretische verwachting bewezen dat dit gas het kosmische web omvat. "

Het onderzoek valideert verder onderzoek dat dichtere gebieden van intergalactisch gas zijn georganiseerd in filamenten waarvan het team vond dat ze zich meer dan 10 miljoen lichtjaar van sterrenstelsels uitstrekken. (Die afstand is meer dan 100 keer de diameter van onze Melkweg.)

De onderzoekers wendden zich tot slijmschimmelsimulaties toen ze op zoek waren naar een manier om de theoretische verbinding tussen de kosmische webstructuur en het koele gas dat in eerdere Hubble-spectroscopische onderzoeken was gedetecteerd, te visualiseren.

Toen ontdekte teamlid Oskar Elek, computational media scientist bij UC Santa Cruz, online het werk van Sage Jenson, een in Berlijn gevestigde mediakunstenaar. Onder Jensons werken waren betoverende artistieke visualisaties die de groei laten zien van het tentakelachtige netwerk van een slijmzwam van voedselzoekende structuren. De kunst van Jenson was gebaseerd op extern wetenschappelijk onderzoek, dat een algoritme voor het simuleren van de groei van slijmzwam detailleerde.

Het onderzoeksteam merkte een opvallende overeenkomst op tussen hoe de slijmzwam complexe filamenten bouwt om nieuw voedsel te vangen, en hoe zwaartekracht, bij het vormgeven van het universum, de kosmische webstrengen tussen sterrenstelsels en sterrenstelsels samenstelt.

Op basis van de simulatie ontwikkelde Elek een driedimensionaal computermodel van de opbouw van slijmzwam om de locatie van de filamentaire structuur van het kosmische web te schatten.

Hoewel het gebruik van een op slijmvorm geïnspireerde simulatie om de grootste structuren van het universum te lokaliseren in het begin misschien bizar klinkt, hebben wetenschappers computermodellen van deze bescheiden micro-organismen gebruikt en ze in petrischalen in een laboratorium gekweekt om complexe problemen op te lossen zoals het vinden de meest efficiënte verkeersroutes in grote steden, het oplossen van doolhoven en het bepalen van routes voor crowd evacuatie. "Dit zijn moeilijke problemen om op te lossen voor een mens, laat staan ​​een computeralgoritme," zei Elek.

"Je kunt bijna zien, vooral op de kaart van sterrenstelsels in het lokale universum van de Sloan-gegevens, waar de filamenten zouden moeten zijn," legde Burchett uit. "Het slijmzwam-model past indrukwekkend in die intuïtie. De structuur waarvan je weet dat die er moet zijn, wordt plotseling door het computeralgoritme gevonden. Er was geen andere bekende methode die goed geschikt was voor dit probleem voor ons onderzoek."

De onderzoekers zeggen dat het erg moeilijk is om een ​​betrouwbaar algoritme te ontwerpen voor het vinden van de gloeidraden in zo'n groot overzicht van sterrenstelsels. "Het is dus verbazingwekkend om te zien dat de virtuele slijmzwam je in slechts enkele minuten een zeer nauwkeurige benadering geeft," legde Elek uit. "Je kunt het letterlijk zien groeien." Ter vergelijking, het kweken van het organisme in een petrischaaltje duurt dagen. Slijmschimmel heeft eigenlijk een heel speciaal soort intelligentie om deze ene ruimtelijke taak op te lossen. Het is tenslotte cruciaal voor zijn voortbestaan.

Het papier van het team verschijnt in The Astrophysical Journal Letters .

De Hubble Space Telescope is een project van internationale samenwerking tussen NASA en ESA (European Space Agency). Het Goddard Space Flight Center van NASA in Greenbelt, Maryland, beheert de telescoop. Het Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, voert wetenschappelijke wetenschapshandelingen uit. STScI wordt geëxploiteerd voor NASA door de Association of Universities for Research in Astronomy in Washington, DC

https://www.nasa.gov/feature/goddard/20 ... e-together