Nyálkagombával a kozmikus háló nyomában

3738

Az anyag a Világegyetemben nem egyenletesen oszlik el. Főként szuperhalmazokba és az azokat összefűző anyagszálakba tömörül, amelyeket üres térrészek vesznek körül. A hierarchia csúcsát a szuperhalmazok foglalják el, amelyek mindent magukban foglalnak: galaxiscsoportokat, halmazokat, önálló galaxisokat és csillagrendszereket. Ezt a hierarchikus struktúrát nevezik „kozmikus hálónak”.

Vajon hogyan és miért vette fel az Univerzum ezt a formát?

A Santa Cruz-i Egyetem (USA) csillagászokból és informatikusokból álló kutatócsoportja érdekes megközelítést alkalmazott. Olyan számítógépes modellt készítettek, amely a nyálkagombák növekedési mintáin alapul. A kutatócsoport “A kozmikus háló sötét szálainak feltárása” (Revealing the Dark Threads of the Cosmic Web) címmel publikálta eredményeit a The Astrophysical Journal Letters folyóiratban. A cikk vezető szerzője Joseph Burchett, az egyetem csillagászati és asztrofizikai posztdoktori kutatója.

A modern kozmológia szerint az Univerzum anyaga szuperhalmazok és anyagszálak formáját veszi fel, amelyeket üres térrészek választanak el egymástól. Az 1980-as évekig azonban a kutatók úgy gondolták, hogy a galaxishalmazok a legnagyobb struktúrák, és ezek egyenletesen oszlanak el a Világegyetemben.

Gravitáció-szimuláció egy táguló Univerzumban. Balra a korai Világegyetem látható, ahol az anyag még egyenletesen oszlott el. Ahogy telt az idő, az anyag csomókba állt össze. Jobbra látható a Világegyetem mai struktúrája, amelyben elkülöníthetők a szuperhalmazok, az anyagszálak és az üres térrészek. (Forrás: Andrey Kravtsov, Anatoly Klypin, National Center for Supercomputer Applications)

Ezután fedezték fel a szuperhalmazokat, aztán kvazárcsoportokat, majd még több és több struktúrát és üres térrészt. Ekkor jött a Sloan Digitális Égboltfelmérés Program (SDSS), a Világegyetem háromdimenziós térképe, és az olyan projektek, mint a Millennium Simulation.

A szuperhalmazokat és galaxiscsoportokat összekötő anyagszálak nehezen vehetők észre. Főként csak diffúz hidrogéngázból állnak. A csillagászoknak azonban sikerült megpillantaniuk őket.

Itt jön be a képbe a nyálkagomba: egy olyan egysejtű organizmus, amely kiválóan érzi magát egyetlen sejtként, de automatikusan alakít ki többsejtű struktúrákat is. Ha elegendő tápanyag áll a rendelkezésére, egyedül marad, de ha tápanyaghiány van, a sejtek összefonódnak. Kollektív állapotban jobban érzékelik a vegyi anyagokat, így megtalálják az élelmet, és még spórákat előállító szárakat is alkothatnak.  

A nyálkagombák figyelemre méltó lények. 2018-ban japán kutatók arról számoltak be, hogy nyálkagombák képesek voltak lemásolni a tokiói vasúti hálózatot. Oskar Elek médiainformatikai posztdoktori kutató (University of California Santa Cruz) ötlete volt, hogy a nyálkagombák utánozhatják az anyag kozmikus eloszlását, és alkalmasak a bemutatására is. Burchett kezdetben szkeptikus volt.

A nyálkagombáról készült kétdimenziós művészeti alkotások mintájára a csapat programozói megalkották a nyálkagomba viselkedésének háromdimenziós algoritmusát, amelyet Monte Carlo Physarum Machine-nak (MCPM) hívnak. A Physarum nyálkagomba egy olyan modellorganizmus, amelyet számos kutatásban felhasználtak.

A nyálkagomba összekapcsolt csövek hálózatát építi ki táplálékkeresés közben. (Forrás: Frankenstoen/CC BY)
A nyálkagomba összekapcsolt csövek hálózatát építi ki táplálékkeresés közben. (Forrás: Frankenstoen/CC BY)

Burchett az informatikusok rendelkezésére bocsátotta a Sloan Digitális Égboltfelmérő Program 37 ezer galaxist tartalmazó adatbázisát. Amikor lefuttatták a nyálkagomba-algoritmust, „az eredmény meggyőző reprezentációja volt a kozmikus hálónak” – mondta.

„Igazi heuréka-pillanat volt, meggyőzött arról, hogy a nyálkagomba-modell a mi utunk.” – mondta Burchett. „Véletlenszerűnek tűnik a növekedése, pedig nem teljességgel az. A nyálkagomba optimális szállítóhálózatot hoz létre, hogy megtalálja az élelemforrások közötti leghatékonyabb utakat. A kozmikus hálóban a struktúrák növekedése egy bizonyos értelemben szintén optimális módon történik. A mögöttes folyamatok különböznek, de hasonló matematikai szerkezeteket alkotnak.”

A Monte Carlo Physarum Machine (MCPM) kozmikusháló-rekonstrukciója 37662 galaxis adatait használta fel a Sloan Digitális Égboltfelmérés Programból (SDSS). Lent három különböző területen látjuk az SDSS galaxisokat (G) és a rávetített MCPM anyagszálait (G+F). (Forrás: Burchett et al 2020.)

Annak ellenére, hogy az eredmény meggyőző, a nyálkagomba csak a nagy léptékű szerkezet vizuális ábrázolása volt. A csapat finomított az algoritmuson, és további teszteket végzett a modell igazolására.

Itt lép be a történetbe a sötét anyag. A Világegyetem alapvető szerkezete bizonyos módon egybeesik a sötét anyag eloszlásával. A galaxisok hatalmas, sötét anyagot tartalmazó halókban születnek, és hosszú anyagszálak kötik össze őket. A sötét anyag a Világegyetem anyagának körülbelül 85%-át teszi ki, és ennek a sötét anyagnak a gravitációs ereje alakítja a „normál” anyag eloszlását.

A kutatók egy másik tudományos modellből megszerezték a sötét anyag halók adatbázisát. Ezekkel az adatokkal is lefuttatták a nyálkagomba-algoritmust, hogy lássák, képes-e olyan anyagszál-hálózatot létrehozni, mint ami ezeket a halókat összekapcsolja. Az eredmény nagyon hasonló volt az eredeti modellhez. Ennek alapján újra finomítottak az algoritmuson.

A következő lépés az volt, hogy a megjósolt struktúrákat más észlelési adatokkal is összevessék. A Hubble-űrtávcső COS (Cosmic Origin Spectrograph) programja a Világegyetem legnagyobb struktúráit vizsgálja az intergalaktikus gáz spektroszkópiai elemzésével. Ez a gáz nem bocsát ki saját fényt, így a program távoli kvazárok fényét vizsgálja, amely áthatol a gázon, miközben az hatást gyakorol rá.

„A nyálkagombának köszönhetően tudtuk, hogy hol kell lennie az anyagszálaknak és a kozmikus hálónak, így a Hubble archív spektrumadataiban a kvazárok segítségével megkereshettük a gáz jeleit.” – magyarázta Burchett. „Ahol a modellünkben anyagszálat láttunk, a Hubble spektrumadatai gáz jelenlétét mutatták, és a jel erősebbé vált az anyagszálak belsejében, ahol a gáznak sűrűbbnek kell lennie.”

Ez egy újabb heuréka-élményt jelentett. „Most először határozhatjuk meg az intergalaktikus anyag sűrűségét a kozmikus háló legtávolabbi anyagszálaitól a galaxishalmazok forró, sűrű belsejéig.” – mondta Burchett.

A kutatás jól mutatja, hogy mit érhetnek el a különböző szakterületek kutatói, ha együttműködnek. Ehhez az eredményhez a kozmológia, a csillagászat, az informatika, a biológia, és még a művészet is hozzájárult.

Forrás: Universe Today

Hozzászólás

hozzászólás