المادة في الكون ليست موزعة بالتساوي. تهيمن عليها التكتلات الفائقة وخيوط المادة التي تجمعها معًا ، وتحيط بها فراغات ضخمة. توجد مجموعات Galaxy الفائقة في أعلى التسلسل الهرمي. يوجد داخل كل شيء كل شيء آخر: مجموعات وعناوين المجرات ، والمجرات الفردية ، والأنظمة الشمسية. يسمى هذا الهيكل الهرمي "الويب الكوني".
ولكن كيف ولماذا اتخذ الكون هذا الشكل؟
قام فريق من علماء الفلك وعلماء الكمبيوتر في جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز باتباع نهج مثير للاهتمام لاكتشاف ذلك. قاموا ببناء نموذج كمبيوتر يعتمد على أنماط نمو قوالب الوحل. ليست هذه هي المرة الأولى التي تساعد فيها قوالب الوحل على تفسير أنماط أخرى في الطبيعة.
نشر الفريق دراسة تلخص نتائجها بعنوان "الكشف عن الخيوط المظلمة للويب الكوني". المؤلف الرئيسي هو جوزيف بورشيت ، باحث ما بعد الدكتوراه في علم الفلك والفيزياء الفلكية في جامعة كاليفورنيا سانتا كروز. نُشرت الدراسة في مجلة The Astrophysical Journal Letters.
تتنبأ النظرية الكونية الحديثة بأن المادة ستأخذ شكل هذه التجمعات والخيوط الفائقة ، والفراغات الشاسعة التي تفصل بينها. ولكن حتى الثمانينيات ، اعتقد العلماء أن عناقيد المجرات كانت أكبر بنية ، كما اعتقدوا أيضًا أن هذه العناقيد موزعة بالتساوي في جميع أنحاء الكون.
ثم تم اكتشاف التكتلات الفائقة. ثم مجموعات من النجوم الزائفة. ومضت ، مع المزيد والمزيد من اكتشافات الهياكل والفراغات. ثم جاء مسح Sloan Digital Sky Survey وخريطة ثلاثية الأبعاد ضخمة للكون ، وجهود أخرى مثل محاكاة الألفية.
من الصعب رؤية خيوط المادة التي تربط كل هذه العناقيد الفائقة ومجموعات المجرات. بالنسبة للجزء الأكبر ، إنه مجرد هيدروجين منتشر. لكن علماء الفلك تمكنوا من اللمحات عنها.
أدخل قالب الوحل. قوالب الوحل هي كائنات وحيدة الخلية تعيش بشكل جيد تمامًا كخلايا مفردة ، ولكنها أيضًا تشكل بشكل مستقل هياكل مجمعة متعددة الخلايا. عندما يكون الطعام وفيرًا ، يتصرفون بمفردهم ، ولكن عندما يكون الطعام أكثر ندرة ، يترابطون معًا. في الحالة الجماعية ، هم أفضل في اكتشاف المواد الكيميائية ، والعثور على الطعام ، ويمكنهم حتى تشكيل سيقان تنتج الجراثيم.
إن قوالب الوحل هي مخلوقات رائعة ، وقد حير العلماء وفتنوا بقدرة المخلوق على "إنشاء شبكات توزيع مثالية وحل مشاكل التنظيم المكاني الصعبة حسابيا" ، كما يقول بيان صحفي. في عام 2018 ، أفاد علماء يابانيون أن العفن الوحل كان قادرًا على تكرار تخطيط نظام السكك الحديدية في طوكيو.
أوسكار إيليك باحث ما بعد الدكتوراه في الوسائط الحاسوبية بجامعة كاليفورنيا بسانتا كروز. واقترح لقيادة المؤلف جوزيف بورشيت أن قوالب الوحل قد تكون قادرة على محاكاة التوزيع الكوني للمادة وتوفير طريقة لتصورها.
كان بورشيت متشككًا في البداية.
"كانت هذه لحظة من نوع Eureka ، وأصبحت مقتنعا بأن نموذج قالب الوحل كان الطريق إلى الأمام بالنسبة لنا."
جوزيف بورشيت ، المؤلف الرئيسي. U of C، Santa Cruz.
بالاعتماد على الإلهام ثنائي الأبعاد من عالم الفن ، ابتكر Elek ومبرمج آخر خوارزمية ثلاثية الأبعاد لسلوك العفن الوحل الذي يسمونه آلة Monte Carlo Physarum. Physarum هو كائن نموذجي يستخدم في جميع أنواع البحث.
قرر Burchett إعطاء بيانات Elek من Sloan Digital Sky Survey التي تحتوي على 37000 مجرة وتوزيعها في الفضاء. عندما أداروا خوارزمية قالب الوحل ، كانت النتيجة "تمثيل مقنع للغاية للشبكة الكونية."
قال بورشيت: "كانت هذه لحظة أوريكا ، وأصبحت مقتنعاً بأن نموذج قالب الوحل كان الطريق إلى الأمام بالنسبة لنا". "من قبيل الصدفة إلى حد ما أنها تعمل ، ولكن ليس بالكامل. يخلق العفن الوحل شبكة نقل محسنة ، للعثور على المسارات الأكثر كفاءة لربط مصادر الغذاء. في الشبكة الكونية ، ينتج نمو البنية شبكات هي أيضًا ، إلى حد ما ، مثالية. العمليات الأساسية مختلفة ، لكنها تنتج هياكل رياضية متشابهة.
ولكن على الرغم من كونه مقنعًا ، إلا أن قالب الطين كان مجرد تمثيل مرئي للهيكل الواسع النطاق. لم يتوقف الفريق عند هذا الحد. قاموا بتحسين الخوارزمية وأجروا اختبارات إضافية لمحاولة التحقق من صحة نموذجهم.
هذا هو المكان الذي تدخل فيه Dark Matter القصة. بطريقة واحدة ، البنية الواسعة النطاق للكون هي التوزيع الواسع النطاق للمادة المظلمة. تتشكل المجرات في هالات ضخمة من المادة المظلمة ، مع تراكيب خيالية طويلة تربطها. تشكل المادة المظلمة حوالي 85٪ من المادة في الكون ، وسحب الجاذبية لكل المادة المظلمة يشكل توزيع المادة "العادية".
حصل فريق الباحثين على كتالوج من هالات المادة المظلمة من محاكاة علمية أخرى. ثم قاموا بتشغيل خوارزمية تستند إلى قالب الوحل مع تلك البيانات ، لمعرفة ما إذا كان يمكن تكرار شبكة من الخيوط التي تربط جميع هذه الهالات. وكانت النتيجة علاقة وثيقة للغاية مع المحاكاة الأصلية.
قال إيليك في البيان الصحفي: "بدءًا من 450.000 هالة من المادة المظلمة ، يمكننا الحصول على توافق مثالي تقريبًا مع حقول الكثافة في محاكاة الكونية".
كررت خوارزمية قالب الوحل الشبكة الأساسية ، واستخدم الباحثون هذه النتائج لتحسين الخوارزمية الخاصة بهم.
في تلك المرحلة ، امتلك الفريق تنبؤًا بهيكل الهيكل الواسع النطاق والشبكة الكونية التي تربط كل شيء. كانت الخطوة التالية مقارنتها بمجموعة مختلفة من بيانات المراقبة. لهذا ، ذهبوا إلى تلسكوب هابل الفضائي. يدرس جهاز مطياف الأصول الكونية هذا التلسكوب (COS) البنية الواسعة النطاق للكون من خلال التحليل الطيفي للغاز بين المجرات. هذا الغاز لا ينبعث منه أي ضوء خاص به ، لذا فإن التحليل الطيفي هو المفتاح. بدلاً من التركيز على الغاز نفسه ، يدرس COS الضوء من الكوازارات البعيدة أثناء مروره عبر الغاز ، وكيف يؤثر الغاز بين المجرات على هذا الضوء.
وأوضح بورشيت: "لقد عرفنا أين يجب أن تكون خيوط الشبكة الكونية بفضل قالب الطين ، لذا يمكننا الذهاب إلى أطياف هابل المؤرشفة من أجل النجوم الزائفة التي تستكشف تلك المساحة وتبحث عن توقيعات الغاز". "أينما رأينا خيطًا في نموذجنا ، أظهر أطياف هابل إشارة غاز ، وأصبحت الإشارة أقوى في منتصف الشعيرات حيث يجب أن يكون الغاز أكثر كثافة."
وهذا يتطلب يوريكا أخرى.
قال Burchett "للمرة الأولى الآن ، يمكننا تحديد كثافة الوسط بين المجرات من الضواحي البعيدة لشعيرات الويب الكونية إلى التصميمات الداخلية الكثيفة الساخنة لمجموعات المجرات". "هذه النتائج لا تؤكد فقط هيكل الشبكة الكونية التي تنبأت بها النماذج الكونية ، بل تعطينا أيضًا طريقة لتحسين فهمنا لتطور المجرة من خلال ربطها بخزانات الغاز التي تتشكل منها المجرات".
توضح هذه الدراسة ما يمكن تحقيقه عندما يخرج باحثون مختلفون من صوامعهم ويتعاونون من خلال تخصصات مختلفة. ساهم علم الكونيات وعلم الفلك وبرمجة الكمبيوتر وعلم الأحياء وحتى الفن في هذه النتيجة الأكثر إثارة للاهتمام.
قال المؤلف المشارك أنجوس فوربس من مختبر UCSC Creative Coding: "أعتقد أنه يمكن أن تكون هناك فرص حقيقية عند دمج الفنون في البحث العلمي". "يمكن أن تؤدي الأساليب الإبداعية لنمذجة البيانات وتصورها إلى وجهات نظر جديدة تساعدنا على فهم الأنظمة المعقدة."
أكثر:
- بيان صحفي: يستخدم الفلكيون نموذج قالب الوحل للكشف عن خيوط مظلمة للشبكة الكونية
- ورقة بحثية: الكشف عن الخيوط المظلمة للشبكة الكونية
- مجلة الفضاء: خريطة جديدة ثلاثية الأبعاد تُظهر هياكل واسعة النطاق في الكون منذ 9 مليارات سنة
