Materie in het heelal is niet gelijk verdeeld. Het wordt gedomineerd door superclusters en de filamenten van materie die ze aan elkaar rijgen, omgeven door enorme lege ruimtes. Superclusters van sterrenstelsels staan bovenaan de hiërarchie. Daarin zit al het andere: melkweggroepen en -clusters, individuele sterrenstelsels en zonnestelsels. Deze hiërarchische structuur wordt het 'kosmische web' genoemd.
Maar hoe en waarom nam het heelal deze vorm aan?
Een team van astronomen en computerwetenschappers van de Universiteit van Californië in Santa Cruz pakte het interessant uit. Ze bouwden een computermodel op basis van de groeipatronen van slijmzwammen. Het is niet de eerste keer dat slijmzwammen andere patronen in de natuur hebben helpen verklaren.
Het team heeft een studie gepubliceerd waarin de resultaten worden beschreven met de titel 'Revealing the Dark Threads of the Cosmic Web'. De hoofdauteur is Joseph Burchett, een postdoctoraal onderzoeker in astronomie en astrofysica aan UC Santa Cruz. De studie is gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters.
De moderne kosmologische theorie voorspelt dat materie de vorm zal aannemen van deze superclusters en filamenten, en de enorme holtes die ze scheiden. Maar tot de jaren tachtig dachten wetenschappers dat clusters van sterrenstelsels de grootste structuur waren, en ze dachten ook dat die clusters gelijkmatig over het heelal waren verdeeld.
Vervolgens werden superclusters ontdekt. Vervolgens groepen quasars. Het ging door, met steeds meer ontdekkingen van structuren en holtes. Toen kwamen de Sloan Digital Sky Survey en een enorme 3D-kaart van het universum, en andere inspanningen zoals de Millennium-simulatie.
De filamenten van materie die al deze superclusters en groepen sterrenstelsels met elkaar verbinden, zijn moeilijk te zien. Voor het grootste deel is het gewoon diffuse waterstof. Maar astronomen hebben er een glimp van opgevangen.
Ga de slijmzwam binnen. Slijmzwammen zijn eencellige organismen die prima leven als afzonderlijke cellen, maar ook autonoom samengevoegde meercellige structuren vormen. Als er voedsel in overvloed is, handelen ze alleen, maar als voedsel schaarser is, gaan ze samen. In de collectieve toestand zijn ze beter in het detecteren van chemicaliën, het vinden van voedsel en kunnen ze zelfs stengels vormen die sporen produceren.
Slijmzwammen zijn opmerkelijke wezens, en wetenschappers zijn verbaasd en geïntrigeerd door het vermogen van het wezen om "optimale distributienetwerken te creëren en rekenkundig moeilijke ruimtelijke organisatieproblemen op te lossen", aldus een persbericht. In 2018 meldden Japanse wetenschappers dat een slijmzwam de lay-out van het spoorwegsysteem van Tokio kon repliceren.
Oskar Elek is postdoctoraal onderzoeker in computationele media aan U of C, Santa Cruz. Hij stelde voor om auteur Joseph Burchett te leiden dat slijmzwammen de kosmische verspreiding van materie kunnen nabootsen en een manier kunnen bieden om het te visualiseren.
Burchett was aanvankelijk sceptisch.
"Dat was een soort Eureka-moment en ik raakte ervan overtuigd dat het slijmzwammodel voor ons de weg vooruit was."
Joseph Burchett, hoofdauteur. U van C, Santa Cruz.
Op basis van 2D-inspiratie uit de kunstwereld creëerden Elek en een andere programmeur een 3D-algoritme van slijmzwamgedrag dat ze de Monte Carlo Physarum Machine noemen. Physarum is een modelorganisme dat in allerlei soorten onderzoek wordt gebruikt.
Burchett besloot om Elek-gegevens te verstrekken van de Sloan Digital Sky Survey die 37.000 sterrenstelsels bevatte en hun verspreiding in de ruimte. Toen ze het slijmzwamalgoritme uitvoerden, was het resultaat 'een behoorlijk overtuigende weergave van het kosmische web'.
"Dat was een soort Eureka-moment en ik raakte ervan overtuigd dat het slijmzwammodel voor ons de weg vooruit was", zei Burchett. "Het is enigszins toevallig dat het werkt, maar niet helemaal. Een slijmzwam vormt een geoptimaliseerd transportnetwerk en vindt de meest efficiënte wegen om voedselbronnen met elkaar te verbinden. In het kosmische web levert de groei van structuur netwerken op die in zekere zin ook optimaal zijn. De onderliggende processen zijn verschillend, maar ze produceren wiskundige structuren die analoog zijn. ”
Maar hoewel het overtuigend is, was de slijmzwam slechts een visuele weergave van de grootschalige structuur. Het team stopte daar niet. Ze verfijnden het algoritme en deden aanvullende tests om te proberen hun model te valideren.
Hier komt Dark Matter in het verhaal. Op een bepaalde manier is de grootschalige structuur van het heelal de grootschalige verspreiding van donkere materie. Melkwegstelsels vormen zich in enorme halo's van donkere materie, met lange filamenteuze structuren die ze met elkaar verbinden. Dark Matter omvat ongeveer 85% van de materie in het heelal, en de zwaartekracht van al die Dark Matter vormt de distributie van 'gewone' materie.
Het team van onderzoekers heeft uit een andere wetenschappelijke simulatie een catalogus met halo's voor donkere materie in handen gekregen. Vervolgens gebruikten ze hun op slijmvorm gebaseerde algoritme met die gegevens om te zien of het het netwerk van filamenten kon repliceren die al die halo's met elkaar verbonden. Het resultaat was een zeer nauwe correlatie met de originele simulatie.
"Te beginnen met 450.000 halo's voor donkere materie, kunnen we een bijna perfecte pasvorm krijgen voor de dichtheidsvelden in de kosmologische simulatie", zei Elek in het persbericht.
Het slijmzwamalgoritme repliceerde het filamentale netwerk en de onderzoekers gebruikten die resultaten om hun algoritme verder te verfijnen.
Op dat moment beschikte het team over een voorspelling van de structuur van de grootschalige structuur en het kosmische web dat alles met elkaar verbond. De volgende stap was om het te vergelijken met een andere set observatiegegevens. Hiervoor gingen ze naar de eerbiedwaardige Hubble-ruimtetelescoop. De Cosmic Origins Spectrograph (COS) van die telescoop bestudeert de grootschalige structuur van het heelal door middel van spectroscopie van intergalactisch gas. Dat gas zendt zelf geen licht uit, dus spectroscopie is de sleutel. In plaats van zich te concentreren op het gas zelf, bestudeert de COS het licht van verre quasars terwijl het door het gas gaat, en hoe het intergalactische gas dat licht beïnvloedt.
"We wisten waar de filamenten van het kosmische web zouden moeten zijn dankzij de slijmzwam, dus we konden naar de gearchiveerde Hubble-spectra gaan voor de quasars die die ruimte onderzoeken en op zoek gaan naar de handtekeningen van het gas", legde Burchett uit. "Waar we een gloeidraad in ons model zagen, de Hubble-spectra vertoonden een gassignaal en het signaal werd sterker naar het midden van de filamenten waar het gas dichter zou moeten zijn."
Dat vraagt om nog een Eureka.
"Voor het eerst kunnen we nu de dichtheid van het intergalactische medium kwantificeren, van de afgelegen buitenwijken van kosmische webfilamenten tot de hete, dichte interieurs van sterrenstelselclusters," zei Burchett. "Deze resultaten bevestigen niet alleen de structuur van het door kosmologische modellen voorspelde kosmische web, 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."
Deze studie laat zien wat er bereikt kan worden als verschillende onderzoekers uit hun silo's komen en samenwerken via verschillende disciplines. Kosmologie, astronomie, computerprogrammering, biologie en zelfs kunst hebben allemaal bijgedragen tot deze meest interessante uitkomst.
"Ik denk dat er echte kansen kunnen zijn als je kunst integreert in wetenschappelijk onderzoek", zegt co-auteur Angus Forbes van het UCSC Creative Coding Lab. "Creatieve benaderingen voor het modelleren en visualiseren van gegevens kunnen leiden tot nieuwe perspectieven die ons helpen complexe systemen te begrijpen."
Meer:
- Persbericht: Astronomen gebruiken een slijmzwammodel om donkere draden van het kosmische web te onthullen
- Research Paper: Revealing the Dark Threads of the Cosmic Web
- Space Magazine: Nieuwe 3D-kaart toont grootschalige structuren in het heelal 9 miljard jaar geleden
