Een computationele benadering, geïnspireerd op de groeipatronen van een felgele slijmzwam, heeft een team van astronomen en computerwetenschappers van UC Santa Cruz in staat gesteld de filamenten te traceren van het kosmische web dat sterrenstelsels door het hele universum met elkaar verbindt.

hun resultaten, gepubliceerd op 10 maart in Astrofysische journaalbrieven , bieden de eerste overtuigende associatie tussen het diffuse gas in de ruimte tussen sterrenstelsels en de grootschalige structuur van het kosmische web voorspeld door de kosmologische theorie.

Volgens de heersende theorie zoals het universum evolueerde na de oerknal, materie werd gedistribueerd in een webachtig netwerk van onderling verbonden filamenten, gescheiden door enorme holtes. Lichtgevende sterrenstelsels vol sterren en planeten vormden zich op de kruispunten en de dichtste gebieden van de filamenten waar de materie het meest geconcentreerd is. De filamenten van diffuus waterstofgas die zich tussen de sterrenstelsels uitstrekken, zijn grotendeels onzichtbaar, hoewel astronomen erin geslaagd zijn om een ​​glimp van hen op te vangen.

Geen van deze lijkt iets te maken te hebben met een eenvoudige slijmzwam genaamd Physarum polycephalum, wordt meestal aangetroffen op rottende boomstammen en bladafval op de bosbodem en vormt soms sponsachtige gele massa's op gazons. Maar Physarum heeft een lange geschiedenis van verrassende wetenschappers met zijn vermogen om optimale distributienetwerken te creëren en computationeel moeilijke ruimtelijke organisatieproblemen op te lossen. In een beroemd experiment, een slijmzwam repliceerde de lay-out van het Japanse spoorwegsysteem door voedselbronnen met elkaar te verbinden die waren gerangschikt om de steden rond Tokio te vertegenwoordigen.

Joe Burchett, een postdoctoraal onderzoeker in astronomie en astrofysica aan UC Santa Cruz, was op zoek naar een manier om het kosmische web op grote schaal te visualiseren, maar hij was sceptisch toen Oskar Elek, een postdoctoraal onderzoeker in computationele media, voorgesteld om een ​​op Physarum gebaseerd algoritme te gebruiken. Ten slotte, totaal verschillende krachten vormen het kosmische web en de groei van een slijmzwam.

Maar Elek, die altijd gefascineerd is geweest door patronen in de natuur, was onder de indruk van de Physarum "biofabrications" van de in Berlijn wonende kunstenaar Sage Jenson. Beginnend met het 2-dimensionale Physarum-model dat Jenson gebruikte (oorspronkelijk ontwikkeld in 2010 door Jeff Jones), Elek en een vriend (programmeur Jan Ivanecky) breidden het uit tot drie dimensies en brachten aanvullende wijzigingen aan om een ​​nieuw algoritme te creëren dat ze de Monte Carlo Physarum Machine noemden.

Burchett gaf Elek een dataset van 37, 000 sterrenstelsels van de Sloan Digital Sky Survey (SDSS), en toen ze het nieuwe algoritme erop toepasten, het resultaat was een behoorlijk overtuigende weergave van het kosmische web.

"Dat was een soort Eureka-moment, en ik raakte ervan overtuigd dat het slijmzwammodel de weg vooruit was voor ons, "Zei Burchett. "Het is een beetje toevallig dat het werkt, maar niet helemaal. Een slijmzwam zorgt voor een geoptimaliseerd transportnetwerk, het vinden van de meest efficiënte routes om voedselbronnen met elkaar te verbinden. In het kosmische web, de groei van structuur produceert netwerken die ook, in zekere zin, optimaal. De onderliggende processen zijn anders, maar ze produceren wiskundige structuren die analoog zijn."

Elek merkte ook op dat "het model dat we hebben ontwikkeld verschillende abstractielagen bevat, weg van de oorspronkelijke inspiratie."

Natuurlijk, een sterke visuele gelijkenis van de modelresultaten met de verwachte structuur van het kosmische web bewijst niets. De onderzoekers voerden verschillende tests uit om het model te valideren terwijl ze het bleven verfijnen.

Tot nu, de beste representaties van het kosmische web zijn voortgekomen uit computersimulaties van de evolutie van structuur in het universum, die de verdeling van donkere materie op grote schaal laat zien, inclusief de massieve halo's van donkere materie waarin sterrenstelsels zich vormen en de filamenten die ze verbinden. Donkere materie is onzichtbaar, maar het maakt ongeveer 85 procent uit van de materie in het heelal, en zwaartekracht zorgt ervoor dat gewone materie de verdeling van donkere materie volgt.

Burchetts team gebruikte gegevens van de Bolshoi-Planck kosmologische simulatie, ontwikkeld door Joel Primack, emeritus hoogleraar natuurkunde aan UC Santa Cruz, en anderen - om de Monte Carlo Physarum-machine te testen. Na het extraheren van een catalogus van halo's van donkere materie uit de simulatie, ze voerden het algoritme uit om het web van filamenten te reconstrueren dat hen verbindt. Toen ze de uitkomst van het algoritme vergeleken met de originele simulatie, ze vonden een nauwe correlatie. Het slijmzwammodel repliceerde in wezen het web van filamenten in de simulatie van donkere materie, en de onderzoekers konden de simulatie gebruiken om de parameters van hun model te verfijnen.

"Vanaf 450, 000 donkere materie halo's, we kunnen een bijna perfecte pasvorm krijgen voor de dichtheidsvelden in de kosmologische simulatie, ' zei Elek.

Burchett deed ook wat hij noemde een "sanity check, " het vergelijken van de waargenomen eigenschappen van de SDSS-sterrenstelsels met de gasdichtheden in het intergalactische medium voorspeld door het slijmzwammodel. De activiteit van stervorming in een sterrenstelsel zou moeten correleren met de dichtheid van zijn galactische omgeving, en Burchett was opgelucht toen hij de verwachte correlaties zag.

Nu had het team een ​​voorspelde structuur voor het kosmische web dat de 37 verbindt, 000 SDSS-sterrenstelsels, die ze konden toetsen aan astronomische waarnemingen. Voor deze, ze gebruikten gegevens van de Cosmic Origins Spectrograph van de Hubble Space Telescope. Intergalactisch gas laat een kenmerkende absorptiesignatuur achter in het lichtspectrum dat er doorheen gaat, en de zichtlijnen van honderden verre quasars doorboren het ruimtevolume dat wordt ingenomen door de SDSS-sterrenstelsels.

"We wisten waar de filamenten van het kosmische web moesten zijn dankzij de slijmzwam, dus we kunnen naar de gearchiveerde Hubble-spectra gaan voor de quasars die die ruimte onderzoeken en zoeken naar de handtekeningen van het gas, " legde Burchett uit. "Overal waar we een filament in ons model zagen, de Hubble-spectra toonden een gassignaal, en het signaal werd sterker naar het midden van de filamenten, waar het gas dichter zou moeten zijn."

In de dichtste streken, echter, het signaal viel weg. Ook dit voldeed aan de verwachtingen, hij zei, omdat verwarming van het gas in die gebieden de waterstof ioniseert, het strippen van elektronen en het elimineren van de absorptiesignatuur.

"Voor het eerst nu we kunnen de dichtheid van het intergalactische medium kwantificeren van de afgelegen rand van kosmische webfilamenten tot het hete, dichte interieurs van clusters van sterrenstelsels, Burchett zei. "Deze resultaten bevestigen niet alleen de structuur van het kosmische web voorspeld door kosmologische modellen, ze geven ons ook een manier om ons begrip van de evolutie van sterrenstelsels te verbeteren door het te verbinden met de gasreservoirs waaruit sterrenstelsels ontstaan."

Burchett en Elek ontmoetten elkaar via coauteur Angus Forbes, een universitair hoofddocent computationele media en directeur van het UCSC Creative Coding-lab in de Baskin School of Engineering. Burchett en Forbes waren begonnen samen te werken na een ontmoeting op een open mic-avond voor muzikanten in Santa Cruz, in eerste instantie gericht op een datavisualisatie-app, die ze vorig jaar publiceerden.

Forbes liet Elek ook kennismaken met het werk van Sage Jenson, niet omdat hij dacht dat het van toepassing zou zijn op Burchetts kosmische webproject, maar omdat "hij wist dat ik een natuurpatroonfreak was, ' zei Elek.

Coauteur J. Xavier Prochaska, een professor in astronomie en astrofysica aan UCSC die baanbrekend werk heeft verricht met behulp van quasars om de structuur van het intergalactische medium te onderzoeken, zei, "Deze creatieve techniek en het onverwachte succes benadrukken de waarde van interdisciplinaire samenwerkingen, waar totaal verschillende perspectieven en expertises worden toegepast op wetenschappelijke problemen."

Forbes' Creative Coding lab combineert benaderingen uit de mediakunst, ontwerp, en informatica. "Ik denk dat er echte kansen kunnen zijn als je kunst integreert in wetenschappelijk onderzoek, "Forbes zei. "Creatieve benaderingen voor het modelleren en visualiseren van gegevens kunnen leiden tot nieuwe perspectieven die ons helpen om complexe systemen te begrijpen."