חומר ביקום אינו מופץ באופן שווה. היא נשלטת על ידי אשכולות-על ועל חוטי-החומר המחברים אותם זה לזה, מוקפים חללים אדירים. אשכולות העל של הגלקסיה נמצאים בראש ההיררכיה. בתוך אלה נמצא כל השאר: קבוצות ואשכולות גלקסיות, גלקסיות אינדיבידואליות ומערכות סולאריות. מבנה היררכי זה מכונה "הרשת הקוסמית".
אבל איך ולמה היקום קיבל צורה זו?
צוות אסטרונומים ומדעני מחשבים מאוניברסיטת סנטה קרוז מאוניברסיטת קליפורניה נקט גישה מעניינת להבין זאת. הם בנו מודל מחשב מבוסס על תבניות הגידול של תבניות רפש. זו לא הפעם הראשונה שתבניות רפש עוזרות להסביר תבניות אחרות בטבע.
הצוות פרסם מחקר ובו התייחסו לתוצאותיהם תחת הכותרת "חושף את האשכולות האפלים של הרשת הקוסמית". הסופר הראשי הוא ג'וזף בורצ'ט, חוקר פוסט-דוקטורט באסטרונומיה ואסטרופיזיקה באוניברסיטת סנטה קרוז. המחקר פורסם בכתב העת The Astrophysical Journal Letters.
התיאוריה הקוסמולוגית המודרנית מנבאת שהחומר ייקח את צורתם של אשכולות-על-חוטים-עליים אלה, ואת החללים העצומים המפרידים ביניהם. אך עד שנות השמונים, מדענים חשבו כי אשכולות הגלקסיות הם המבנה הגדול ביותר, והם גם חשבו כי אותם אשכולות מופצים באופן שווה ברחבי היקום.
ואז התגלו אשכולות-על. ואז קבוצות של קוואזרים. זה המשיך, עם יותר ויותר תגליות של מבנים וחללים. ואז הגיע סקר השמיים הדיגיטליים Sloan ומפת 3D ענקית של היקום, ומאמצים אחרים כמו סימולציה של המילניום.
קשה לראות את חוטי החומר המחברים בין כל אשכולות העל וקבוצות הגלקסיות הללו. לרוב, זה פשוט מימן מפוזר. אולם אסטרונומים הצליחו להבחין בכך.
נכנס לתבנית הרפש. תבניות רפש הינן אורגניזמים חד-תאיים אשר חיים בצורה נאה בתור תאים בודדים, אך גם באופן אוטונומי יוצרים מבנים רב-תאיים מצטברים. כאשר אוכל בשפע הם פועלים לבד, אך כאשר האוכל נדיר יותר הם מתאגדים זה בזה. במצב הקולקטיבי הם טובים יותר באיתור כימיקלים, במציאת מזון ואף יכולים ליצור גבעולים המייצרים נבגים.
תבניות רפש הן יצורים ראויים לציון, ומדענים תמהו וסקרנו את היכולת של היצור "ליצור רשתות הפצה מיטביות ולפתור בעיות ארגון מרחביות קשות חישוביות", כך נכתב בהודעה לעיתונות. בשנת 2018 דיווחו מדענים יפנים כי תבנית רפש הצליחה לשכפל את מתווה מערכת הרכבות של טוקיו.
אוסקר אלקט הוא חוקר פוסט-דוקטורט במדיה חישובית ב- U of C, סנטה קרוז. הוא הציע להוביל את הסופר ג'וזף בורצ'ט כי תבניות רפש עשויים לחקות את התפוצה הקוסמית של החומר ולספק דרך לדמיין אותו.
בורצ'ט היה ספקן, בתחילה.
"זה היה סוג של רגע של יוריקה, והשתכנעתי שדגם עובש הרפש היה הדרך קדימה עבורנו."
ג'וזף בורשט, מחבר ראשי. U של סי, סנטה קרוז.
על-ידי השראה דו-ממדית מעולם האמנות, אלקטר ו מתכנת אחר יצרו אלגוריתם תלת-ממדי של התנהגות עובש רפש שהם מכנים מכונה מונטה קרלו פיזארום. Physarum הוא אורגניזם מודל המשמש בכל מיני מחקרים.
בורצ'ט החליט למסור נתונים לאלק מהסקר Sloan Digital Sky Survey שהכיל 37,000 גלקסיות והפצתן בחלל. כאשר ניהלו את אלגוריתם עובש הרפש, התוצאה הייתה "ייצוג די משכנע של הרשת הקוסמית."
"זה היה סוג של רגע של יוריקה, והשתכנעתי שדגם עובש הרפש היה הדרך קדימה עבורנו," אמר בורצ'ט. "זה מקרי במקצת שזה עובד, אבל לא לגמרי. תבנית רפש יוצרת רשת תובלה מיטבית ומוצאת את המסלולים היעילים ביותר לחיבור מקורות מזון. ברשת הקוסמית, צמיחת המבנה מייצרת רשתות שגם הן, במובן מסוים, אופטימליות. התהליכים הבסיסיים שונים, אך הם מייצרים מבנים מתמטיים שהם אנלוגיים. "
אבל למרות שזה משכנע, התבנית הרפש הייתה רק ייצוג חזותי של המבנה הגדול. הצוות לא עצר שם. הם שידקו את האלגוריתם וערכו בדיקות נוספות כדי לנסות ולאמת את המודל שלהם.
זה המקום בו Dark Matter נכנס לסיפור. בדרך אחת, המבנה הגדול ביותר של היקום הוא ההתפלגות בקנה מידה הגדול של Dark Matter. גלקסיות נוצרות בהילות ענקיות של חומר כהה, כאשר מבנים נימיים ארוכים מחברים ביניהם. חומר כהה מכיל כ- 85% מהחומר ביקום, והמשיכה הכבידתית של כל מה שחומר כהה מעצבת את התפלגות החומר "הרגיל".
צוות החוקרים אחז בקטלוג של הילות של חומר אפל מסימולציה מדעית אחרת. ואז הם ניהלו את האלגוריתם המבוסס על עובש רפש שלהם עם אותם נתונים, כדי לראות אם הוא יכול לשכפל את רשת החוטים המחברת בין כל ההילות הללו. התוצאה הייתה מתאם הדוק מאוד עם ההדמיה המקורית.
"החל מ -450,000 הילות חומר אפל, אנו יכולים לקבל התאמה כמעט מושלמת לשדות הצפיפות בסימולציה הקוסמולוגית", אמרה אלק בהודעה לעיתונות.
אלגוריתם עובש הרפש משכפל את הרשת הנימה, והחוקרים השתמשו בתוצאות אלה כדי לכוונן עוד יותר את האלגוריתם שלהם.
בשלב זה הצוות ניחן בחיזוי של מבנה המבנה הגדול והרשת הקוסמית המחברת בין הכל. השלב הבא היה להשוות אותו למערכת שונה של נתונים תצפיתיים. לשם כך הם הלכו לטלסקופ החלל האבל הנערץ. ה- Cosmic Origins Spectrograph (COS) של הטלסקופ חוקר את המבנה בקנה מידה הגדול של היקום באמצעות ספקטרוסקופיה של גז אינטרגלקטי. הגז הזה אינו פולט אור משלו, ולכן הספקטרוסקופיה היא המפתח. במקום להתמקד בגז עצמו, ה- COS בוחן את האור מהקוואזרים הרחוקים כשהוא עובר בגז, וכיצד הגז הבין-גלקטי משפיע על האור הזה.
"ידענו איפה צריך להיות חוטים של הרשת הקוסמית הודות לתבנית הרפש, כך שנוכל ללכת לספקטרום האבל הארכיון עבור הקוואזרים הבודקים את החלל הזה ומחפשים את חתימות הגז," הסביר בורשט. "בכל מקום שראינו נימה בדגם שלנו, ספקטרום האבל הראה אות גז, והאות התחזק לקראת אמצע החוטים שבהם הגז צריך להיות צפוף יותר."
זה דורש יוריקה נוספת.
"בפעם הראשונה אנו יכולים לכמת את צפיפות המדיום הבין-גלקטי, מהפאתי המרוחק של חוטי רשת קוסמיים וכלה בפנים החמים והצפופים של אשכולות גלקסיות," אמר בורשט. "תוצאות אלה לא רק מאשרות את מבנה האינטרנט הקוסמי שחזה מודלים קוסמולוגיים, אלא גם נותנות לנו דרך לשפר את הבנתנו את התפתחות הגלקסיה על ידי חיבורו למאגרי הגז שמתוכם נוצרות גלקסיות."
מחקר זה מראה מה ניתן להשיג כאשר חוקרים שונים יוצאים ממגזאותיהם ומשתפים פעולה באמצעות דיסציפלינות שונות. קוסמולוגיה, אסטרונומיה, תכנות מחשבים, ביולוגיה ואפילו אמנות, כל אלה תרמו לתוצאה המעניינת ביותר הזו.
"אני חושב שיכולות להיות הזדמנויות אמיתיות כשאתה משלב את האמנויות במחקר מדעי," אמר המחבר המשותף אנגוס פורבס ממעבדת הקידוד Creative UCSC. "גישות יצירתיות למודלים ולהמחשת נתונים יכולים להוביל לנקודות מבט חדשות העוזרות לנו להבין את המערכות המורכבות."
יותר:
- הודעה לעיתונות: אסטרונומים משתמשים במודל של עובש רפש כדי לחשוף חוטים כהים של הרשת הקוסמית
- נייר מחקר: חושף את האשכולות האפלים של האינטרנט הקוסמי
- מגזין החלל: מפה תלת-ממדית חדשה מציגה מבנים בקנה מידה גדול ביקום 9 מיליארד שנים לפני כן
