Przejdź do treści

Śluzowiec pomaga badać ciemną materię Wszechświata

Migawka ze szczegółowej symulacji komputerowej ukazującej złożoność kosmicznej sieci. Długie włókna ciemnej materii (kolor niebieski) łączą ze sobą węzły galaktyk i gromad galaktyk (różowy), podczas gdy gaz (pomarańczowy) zdaje się przez nie przenikać. Modelowanie i obserwacje kosmicznej sieci pozwalają badaczom na uzyskanie wglądu w jej strukturę i zarazem ewolucję wczesnego Wszechświata.

Zachowanie bardzo prostego organizmu podobnego do pleśni pomaga astronomom w śledzeniu rozległej kosmicznej sieci Wszechświata, w tym rozkładu ciemnej materii.

Kosmiczna sieć to jak gdyby rozległa pajęczyna połączonych ze sobą włókien zbudowanych z ciemnej materii i gazu. Tworzy swoiste rusztowanie, na którym opiera się cały Wszechświat. Włókna mogą rozciągać się na setki milionów lat świetlnych i łączą ze sobą galaktyki, gromady galaktyk, a nawet supergromady galaktyk. Jednak jej obserwowana jasność jest z obserwacyjnego punktu widzenia niewielka, a budująca ją również ciemna materia w ogólnie nie świeci. Sprawia to, że trudno jest wykonać precyzyjną mapę takiej sieci – nawet jeśli jest ona największą znaną nam strukturą.

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz podjęli to wyzwanie. Przez długi czas analizowali dane archiwalne dla ponad 37 000 galaktyk, by ostatecznie nakreślić ich właściwe pozycje na niebie. Następnie wykorzystali wyrafinowany algorytm do zmapowania niewidzialnych włókien gazu i ciemnej materii leżących między tymi galaktykami. Miało to pomóc w określeniu, w jaki sposób wchodzą one ze sobą w interakcje, a także jak kosmiczna sieć wpływa na powstawanie gwiazd w galaktykach.

Nie był to jednak zwykły algorytm, i to w żadnym tego słowa znaczeniu. Posłużono się modelem bezpośrednio inspirowanym śluzowcami, a konkretniej eukariontem Physarum polycephalum. Algorytm naśladuje zachowanie się tej formy życia (podobnej nieco budową do pleśni, ale nie będącej nią) w poszukiwaniu pożywienia. Organizm ten wysyła najpierw tak zwane wąsy rozpoznawcze, aby skutecznie zapolować na pobliskie pożywienie. Jednak gdy jakaś konkretna nić natknie się na jedzenie, rozwija się tam dalej, tworząc silne połączenie pomiędzy pokarmem a resztą kolonii.

 

Physarum polycephalum

Na zdjęciu: Physarum polycephalum. Źródło: frankenstoen  flickr

 

Co jednak ma to wspólnego z kosmologią? Okazało się, że naukowcy zastępujący poszczególne galaktyki „pożywieniem” w algorytmie opartym działaniem właśnie na życiu śluzowca byli w stanie wygenerować trójwymiarową mapę, która pokazuje, jak splecione są łączące ze sobą galaktyki włókna kosmicznej sieci.

Sam gaz obecny między galaktykami działa również jako rodzaj kosmicznego pożywienia, które napędza powstawanie gwiazd. Jeśli zatem dowiemy się, w jaki sposób włókna kosmicznej sieci są połączone z daną galaktyką, możemy przynajmniej próbować odgadnąć, w jakim tempie ta galaktyka tworzy gwiazdy – uwzględniając i możliwość, że nie tworzy ich wcale. Taka prognoza opiera się na informacji, czy galaktyka jest połączona z kosmiczną siecią, a także na tym, jak bardzo ściśle jest związana z innymi galaktykami. Jeśli jest zbyt silnie z nimi połączona, grozi to wyschnięciem strumienia dobrych warunków do formowania gwiazd, ale gdy połączenie jest zbyt słabe, galaktyka po prostu nie może uzyskać wystarczającej ilości paliwa dla procesów gwiazdotwórczych.

Ideę utworzenia algorytmu opartego na zachowaniach prostego organizmu zapoczątkował Oskar Elek, naukowiec informatyk z UC Santa Cruz. Miał już wcześniej okazję widzieć podobne algorytmy i ich działanie, namówił więc astronoma z tego samego uniwersytetu, Joe Burchetta (pierwszego autora publikacji) do zastosowania tego algorytmu w jego badaniach nad kosmiczną siecią jako rozległym tworem o nieuchwytnej strukturze.

To, co zobaczył astronom po przeanalizowaniu zaproponowanego modelu, wydawało się śladem rekonstrukcji kosmicznej sieci, który przemawiał do niego znacznie bardziej niż inne, poprzednio stosowane w jej badaniach modele. Trzeba zresztą przyznać, że nie po raz pierwszy naukowcy wykorzystali śluzowce do mapowania tego typu i innych struktur. Organizmy te są prawdziwymi ekspertami w budowie włókien, tworzą też złożone podziemne sieci, które pomagają im w poszukiwaniu pożywienia i innych zasobów. Te jednokomórkowce działają niczym jedna duża kolonia, której średnica może dochodzić nawet do 0,3 metra. Ich włókniste struktury wykazują naturalną skłonność do czegoś, co można określić jako umiejętność rozwiązywanie problemów. Śluzowce doskonale radzą sobie z problemami najkrótszej drogi, takimi jak znalezienie najlepszego sposobu na przedostanie się przez labirynt, aby zlokalizować ukryte w nim jedzenie. Nazywano to już wcześniej „przetwarzaniem śluzu pleśniowego”, a nawet porównywano do szczątkowej inteligencji.

Dla śluzowca świat jest kombinacją dwóch dziedzin: gradientów atraktantów (rzeczy, których on sam chce) i gradientów repelentów (rzeczy, których musi unikać) – wyjaśnia Andrew Adamatzky, profesor na Uniwersytecie Zachodniej Anglii. On po prostu podąża za gradientami. W ten sposób „oblicza”, na przykład najkrótszą drogę.

Śledząc, w jaki sposób ten algorytm łączy ze sobą odległe galaktyki, naukowcy dowiadują się, gdzie powinni szukać włókien kosmicznej sieci w obserwacjach archiwalnych. To działa. Gdziekolwiek widzieli włókno w tym modelu, widma z Hubble'a pokazywały sygnał świadczący o obecności gazu, a sygnał ten stawał się silniejszy w kierunku centrów włókien, czyli tam, gdzie gaz powinien być najgęstszy. To prawdziwy sukces – zespół nie tylko wykorzystuje algorytm, aby dowiedzieć się, gdzie w teorii powinny znajdować się wątki kosmicznej sieci, ale także jest w stanie faktycznie je wskazać w danych obserwacyjnych.
 

Naukowcy skonfrontowali komputerowy algorytm inspirowany zachowaniem śluzowców poszukujących pożywienia z pozycjami około 37 000 galaktyk, które w tym modelu odegrały właśnie rolę „żywności”. Umożliwiło to stworzenie trójwymiarowej mapy kosmicznej sieci łączącej te galaktyki. Galaktyki (lub  „żywność”) są przedstawione na żółto, podczas gdy kosmiczna sieć jest reprezentowana przez kolor fioletowy. Źródło: NASA/ESA/J. Burchett and O. Elek (UC Santa Cruz)

Na ilustracji: Naukowcy skonfrontowali komputerowy algorytm inspirowany zachowaniem śluzowców poszukujących pożywienia z pozycjami około 37 000 galaktyk, które w tym modelu odegrały właśnie rolę „żywności”. Umożliwiło to stworzenie trójwymiarowej mapy kosmicznej sieci łączącej te galaktyki. Galaktyki (lub  „żywność”) są przedstawione na żółto, podczas gdy kosmiczna sieć jest reprezentowana przez kolor fioletowy. Źródło: NASA/ESA/J. Burchett and O. Elek (UC Santa Cruz)

 

Po raz pierwszy możemy ilościowo określić gęstość ośrodka międzygalaktycznego, od odległych obrzeży włókien sieci kosmicznej aż do gorących, gęstych wnętrz gromad galaktyk – podsumowuje Burchett. Wyniki te nie tylko potwierdzają strukturę kosmicznej sieci przewidywaną przez nasze modele kosmologiczne, ale także dają nam nadzieję na lepsze zrozumienie ewolucji galaktyk.

 

Czytaj więcej:

 

Źródło: Astronomy.com

Opracowanie: Elżbieta Kuligowska

Na ilustracji: Migawka ze szczegółowej symulacji komputerowej ukazującej złożoność kosmicznej sieci. Długie włókna ciemnej materii (kolor niebieski) łączą ze sobą węzły galaktyk i gromad galaktyk (różowy), podczas gdy gaz (pomarańczowy) zdaje się przez nie przenikać. Modelowanie i obserwacje kosmicznej sieci pozwalają badaczom na uzyskanie wglądu w jej strukturę i zarazem w ewolucję wczesnego Wszechświata. Źródło: Illustris Collaboration

Reklama