Vật chất trong vũ trụ không được phân phối đều. Nó thống trị bởi các cụm siêu và các sợi vật chất nối chúng lại với nhau, được bao quanh bởi các khoảng trống lớn. Các cụm siêu sao của Galaxy nằm ở đầu phân cấp. Bên trong đó là mọi thứ khác: các nhóm và cụm thiên hà, các thiên hà riêng lẻ và các hệ mặt trời. Cấu trúc phân cấp này được gọi là Web vũ trụ.
Nhưng làm thế nào và tại sao Vũ trụ lại có hình thức này?
Một nhóm các nhà thiên văn học và các nhà khoa học máy tính tại Đại học California Santa Cruz đã thực hiện một cách tiếp cận thú vị để tìm ra nó. Họ đã xây dựng một mô hình máy tính dựa trên mô hình tăng trưởng của nấm mốc. Đây không phải là lần đầu tiên các khuôn chất nhờn đã giúp giải thích các mô hình khác trong tự nhiên.
Nhóm nghiên cứu đã công bố một nghiên cứu phác thảo kết quả của họ có tên là Tiết lộ các chủ đề đen tối của Web vũ trụ. Tác giả chính là Joseph Burchett, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ về thiên văn học và vật lý thiên văn tại UC Santa Cruz. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí The Astrophysical Journal Letters.
Lý thuyết vũ trụ học hiện đại dự đoán rằng vật chất sẽ có hình dạng của các siêu cụm và dây tóc này, và các khoảng trống rộng lớn ngăn cách chúng. Nhưng cho đến những năm 1980, các nhà khoa học nghĩ rằng các cụm thiên hà là cấu trúc lớn nhất và họ cũng nghĩ rằng các cụm đó được phân phối đều khắp Vũ trụ.
Sau đó, các cụm siêu được phát hiện. Sau đó các nhóm chuẩn tinh. Trên đó, với ngày càng nhiều khám phá về cấu trúc và khoảng trống. Sau đó là Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan và Bản đồ vũ trụ 3D khổng lồ và các nỗ lực khác như Mô phỏng thiên niên kỷ.
Các sợi của vật chất kết nối tất cả các cụm siêu thiên hà và các nhóm thiên hà này rất khó nhìn thấy. Đối với hầu hết các phần, nó chỉ khuếch tán hydro. Nhưng các nhà thiên văn học đã cố gắng để nhìn thoáng qua về nó.
Nhập khuôn slime. Nấm mốc là sinh vật đơn bào sống hoàn toàn tốt như tế bào đơn, nhưng cũng tự động hình thành các cấu trúc đa tế bào tổng hợp. Khi thực phẩm dồi dào, họ hành động một mình, nhưng khi thực phẩm khan hiếm hơn, họ cùng nhau băng bó. Ở trạng thái tập thể, chúng tốt hơn trong việc phát hiện hóa chất, tìm thức ăn và thậm chí có thể tạo thành thân cây tạo ra bào tử.
Nấm mốc là những sinh vật đáng chú ý, và các nhà khoa học đã bị bối rối và bị thu hút bởi sinh vật có khả năng để tạo ra mạng lưới phân phối tối ưu và giải quyết các vấn đề tổ chức không gian khó tính toán, theo như một thông cáo báo chí. Năm 2018, các nhà khoa học Nhật Bản đã báo cáo rằng một khuôn chất nhờn có thể sao chép bố cục của hệ thống đường sắt Tokyo.
Oskar Elek là một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ về phương tiện tính toán tại U of C, Santa Cruz. Ông đề nghị lãnh đạo tác giả Joseph Burchett rằng nấm mốc có thể có thể bắt chước sự phân bố vũ trụ của vật chất và cung cấp một cách hình dung về nó.
Burchett đã hoài nghi, ban đầu.
Đó là một khoảnh khắc của Eureka, và tôi đã bị thuyết phục rằng mô hình nấm mốc là con đường phía trước cho chúng tôi.
Joseph Burchett, tác giả chính. U của C, Santa Cruz.
Dựa trên cảm hứng 2 chiều từ thế giới nghệ thuật, Elek và một lập trình viên khác đã tạo ra thuật toán 3-D về hành vi nấm mốc mà họ gọi là Máy Monte Carlo Physarum. Physarum là một sinh vật mẫu được sử dụng trong tất cả các loại nghiên cứu.
Burchett quyết định cung cấp dữ liệu Elek từ Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan có chứa 37.000 thiên hà và sự phân bố của chúng trong không gian. Khi họ chạy thuật toán khuôn chất nhờn, kết quả là một đại diện khá thuyết phục của web vũ trụ.
Đó là một khoảnh khắc của Eureka, và tôi đã bị thuyết phục rằng mô hình nấm mốc là con đường phía trước đối với chúng tôi, ông B Bettett nói. Cẩu Nó có một chút trùng hợp ngẫu nhiên mà nó hoạt động, nhưng không hoàn toàn. Một khuôn chất nhờn tạo ra một mạng lưới giao thông được tối ưu hóa, tìm ra các con đường hiệu quả nhất để kết nối các nguồn thực phẩm. Trong web vũ trụ, sự phát triển của cấu trúc tạo ra các mạng cũng theo một nghĩa nào đó là tối ưu. Các quy trình cơ bản là khác nhau, nhưng chúng tạo ra các cấu trúc toán học tương tự nhau.
Nhưng mặc dù nó hấp dẫn, khuôn slime chỉ là một đại diện trực quan của cấu trúc quy mô lớn. Đội đã không dừng lại ở đó. Họ đã tinh chỉnh thuật toán và thực hiện các thử nghiệm bổ sung để cố gắng xác nhận mô hình của họ.
Đây là nơi Dark Matter bước vào câu chuyện. Theo một cách nào đó, cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ là sự phân phối quy mô lớn của Dark Matter. Các thiên hà hình thành trong các quầng sáng khổng lồ của Dark Matter, với các cấu trúc sợi dài nối chúng. Dark Matter bao gồm khoảng 85% vật chất trong Vũ trụ và lực hấp dẫn của tất cả những gì Dark Matter định hình sự phân phối của vật chất thông thường.
Nhóm các nhà nghiên cứu đã nắm giữ một danh mục các quầng sáng vật chất tối từ một mô phỏng khoa học khác. Sau đó, họ chạy thuật toán dựa trên chất nhờn khuôn của họ với dữ liệu đó, để xem liệu nó có thể sao chép mạng lưới các sợi kết nối tất cả các halo đó không. Kết quả là một mối tương quan rất chặt chẽ với mô phỏng ban đầu.
Bắt đầu với 450.000 halos vật chất tối, chúng ta có thể có được một sự phù hợp gần như hoàn hảo với các trường mật độ trong mô phỏng vũ trụ, theo Ele Elek trong thông cáo báo chí.
Thuật toán nấm mốc đã tái tạo mạng lưới dây tóc và các nhà nghiên cứu đã sử dụng các kết quả đó để tinh chỉnh thêm thuật toán của họ.
Tại thời điểm đó, nhóm nghiên cứu sở hữu một dự đoán về cấu trúc của cấu trúc quy mô lớn và mạng lưới vũ trụ kết nối mọi thứ. Bước tiếp theo là so sánh nó với một tập hợp dữ liệu quan sát khác. Đối với điều này, họ đã đi đến Kính thiên văn vũ trụ Hubble đáng kính. Đó là kính viễn vọng Nguồn gốc vũ trụ (COS) nghiên cứu cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ thông qua quang phổ của khí liên thiên hà. Khí đó không phát ra ánh sáng của riêng nó, vì vậy quang phổ là chìa khóa. Thay vì tập trung vào chính khí, COS nghiên cứu ánh sáng từ các quasar ở xa khi nó đi qua khí và cách khí liên thiên hà ảnh hưởng đến ánh sáng đó.
Chúng tôi biết các sợi tơ của mạng vũ trụ nên nhờ vào chất nhờn, vì vậy chúng tôi có thể đi đến quang phổ Hubble được lưu trữ cho các quasar thăm dò không gian đó và tìm kiếm các chữ ký của khí, ông Bicksett giải thích. Bất cứ nơi nào chúng ta thấy một dây tóc trong mô hình của mình, quang phổ Hubble cho thấy tín hiệu khí và tín hiệu mạnh hơn về phía giữa các dây tóc nơi khí nên đậm đặc hơn.
Điều đó đòi hỏi một Eureka khác.
Lần đầu tiên, chúng ta có thể định lượng được mật độ của môi trường giữa các thiên hà từ vùng ngoại ô xa xôi của các sợi web vũ trụ đến nội thất nóng, dày đặc của các cụm thiên hà, ông B Bettett nói. Những kết quả này không chỉ xác nhận cấu trúc của mạng vũ trụ được dự đoán bởi các mô hình vũ trụ, chúng còn cho chúng ta một cách để cải thiện sự hiểu biết về sự tiến hóa của thiên hà bằng cách kết nối nó với các hồ chứa khí từ đó tạo thành các thiên hà.
Nghiên cứu này cho thấy những gì có thể được thực hiện khi các nhà nghiên cứu khác nhau ra khỏi silo của họ và hợp tác thông qua các chuyên ngành khác nhau. Vũ trụ học, thiên văn học, lập trình máy tính, sinh học và thậm chí cả nghệ thuật, tất cả đã góp phần vào kết quả thú vị nhất này.
Tôi nghĩ rằng có thể có những cơ hội thực sự khi bạn tích hợp nghệ thuật vào nghiên cứu khoa học, đồng tác giả Angus Forbes từ phòng thí nghiệm mã hóa sáng tạo UCSC cho biết. Cách tiếp cận của Creative Creative để mô hình hóa và trực quan hóa dữ liệu có thể dẫn đến những quan điểm mới giúp chúng ta hiểu được các hệ thống phức tạp.
Hơn:
- Thông cáo báo chí: Các nhà thiên văn học sử dụng mô hình khuôn chất nhờn để tiết lộ các chủ đề tối của web vũ trụ
- Tài liệu nghiên cứu: Tiết lộ các chủ đề đen tối của Web vũ trụ
- Tạp chí vũ trụ: Bản đồ 3 chiều mới cho thấy các cấu trúc quy mô lớn trong vũ trụ 9 tỷ năm trước
