[Перевод] Что слизь может рассказать нам о Вселенной?
Моделирование космической паутины — диффузных нитей газа, соединяющих галактики во всей Вселенной
Что может рассказать о крупномасштабной структуре Вселенной и эволюции галактик слизевая плесень? Эти вещи могут показаться несовместимыми, однако и то, и другое — часть природы, и при этом земные слизевые формы, похоже, всё же могут кое-что рассказать нам о самой Вселенной. Огромные нити газа, пронизывающие Вселенную, имеют много общего со слизевыми формами и их трубчатыми сетями.
Крупномасштабная структура Вселенной состоит из галактик в группах и скоплениях галактик. Они окружены огромными пустотами, и по этим пустотам проходят газовые нити, связывающие группы, скопления и суперкластеры между собой. Но как влияют эти нити на эволюцию галактик?
Группа исследователей разработала новый способ идентификации этих нитей и создания их каталога. Для идентификации филаментов они использовали симулятор Illustris TNG и симулятор слизистой формы. Получив более полное представление о том, где находятся филаменты, можно начать понимать, какую роль они играют в эволюции галактик.
Свои результаты учёные представили в работе под названием «Нити космической паутины слизевой плесени и их влияние на эволюцию галактик». Результаты исследования были представлены в журнал The Astrophysical Journal, и в настоящее время статья находится в стадии предпечатной подготовки. Ведущий автор — Фарханул Хасан (Farhanul Hasan) с кафедры астрономии Государственного университета Нью-Мексико.
Слизевые плесени — одна из самых необычных форм жизни в природе. Некоторые из них представляют собой коллективные формы жизни, содержащие совокупность различных организмов. Каким-то образом они оптимизируют свою жизнедеятельность, распространяя трубки по окружающей среде. Это позволяет им перемещаться по лабиринтам, чтобы добраться до пищи и вернуться в область, где ранее находилась пища. Это удивительно, потому что они делают всё это без мозга. Эти необычные способности делают их ценными для астрофизики.
Одна из основных задач астрофизики — понять, как формируются и эволюционируют галактики. Астрофизики измеряют их массу, отклики активных галактических ядер, взрывы сверхновых и другие процессы, происходящие внутри галактик. Но окружающая среда, в которой находится галактика, также определяет её эволюцию. Какую роль в галактической эволюции играют нити космической паутины, соединяющие галактики?
Этому вопросу и посвящено данное исследование.
«Выявление главного «экологического» показателя галактики — задача, к которой в разных исследованиях подходили по-разному», — поясняют авторы. «Эволюцию галактик можно проанализировать в контексте крупномасштабной структуры Вселенной, известной как «космическая паутина». Эта структура состоит из взаимосвязанной сети филаментов (нитей) — мостов межгалактической материи — и узлов — плотных пересечений филаментов, где распределение космической плотности наиболее велико», — пишут авторы.
Изображение космической паутины — нитевидной структуры, заполняющей всю Вселенную
Авторы отмечают, что внутри паутины встречаются группы галактик, скопления и суперкластеры, которые довольно легко идентифицировать. Однако отдельные нити идентифицировать гораздо сложнее, даже в таком мощном симуляторе, как Illustris TNG. «Идентификация нитей космической паутины по разреженному распределению галактик, известная как «реконструкция» космической паутины, представляет собой сложную задачу», — говорится в статье.
Это важно, поскольку нити влияют на эволюцию галактик». Различные исследования, посвящённые выявлению филаментов, привели к разным выводам. «Например, — пишут авторы, — в то время как одни исследования говорят о подавлении газо- и звёздообразования вблизи филаментов, другие сообщают об увеличении поступления газа и/или звёздообразования». Таким образом, учёные явно не очень хорошо понимают влияние филаментов на галактики, и это может быть связано с тем, что они неправильно их идентифицируют или не видят их все.
Именно здесь на помощь приходят слизевые формы.
«В нашем подходе для оценки поля космической плотности используется новая модель под названием Monte Carlo Physarum Machine (MCPM)», — пишут авторы.
MCPM — это вычислительный инструмент, позволяющий реконструировать сложные транспортные сети. Как видно из названия, в его основе лежит настоящая слизистая плесень Physarum polycephalum. Учёные используют P. polycephalum в качестве нетрадиционного «биологического компьютера» для решения задач навигации по лабиринту, проектирования транспортных систем и выполнения множества других задач. «MCPM вдохновлён особенностями питания биологического организма Physarum polycephalum или слизистой плесени, которая, как известно, создаёт высокоэффективные взаимосвязанные сети при поиске пищи», — поясняют авторы.
Наиболее известное применение MCPM было получено инженерами при воспроизведении системы токийского метро. Они разложили овсяные хлопья по схеме, соответствующей городам, окружающим Токио, а слизевая плесень построила питательные каналы, соединяющие овсяные хлопья по схеме, очень похожей на существующую систему метро.
На этом снимке Physarum polycephalum прокладывает себе путь по коре дерева
В данном исследовании на месте овсяных хлопьев оказались галактики и скопления. «Наш подход значительно улучшил схему идентификации нитей…», используемую в других реконструкциях космической паутины, пишут авторы. Исследователи обратили внимание на то, какое влияние оказывает космическая сеть как на гашение газа, так и на его поступление в галактики.
На каждой из шести панелей этого рисунка из исследования показана плотность космической паутины на различных красных смещениях. Светящиеся белые точки — это галактики; поле плотности показано от зелёного до жёлтого, причём жёлтый цвет характеризуется наибольшей плотностью
Существует ещё один метод выявления нитей, который учёные используют для реконструкции космической паутины, и называется он Delaunay Tessellation Field Estimator (DTFE). В рамках своего исследования авторы сравнили эффективность DTFE с методом, основанным на физаре MCPM. «Изменения в идентифицированной нитевидной структуре между двумя вариантами плотностно-полевых оценок весьма значительны», — утверждают авторы.
В результате DTFE »… успешно соединяет только более массивные галактики», — говорится в исследовании. MCPM не только соединил большее число галактик, но и выявил гораздо больше нитей и точно проследил распределение тёмной материи. Кроме того, нити MCPM имеют более естественную форму, с большим количеством изогнутых линий и меньшим количеством резких поворотов.
На этом рисунке из исследования показано визуальное сравнение филаментов, выявленных с помощью DTFE (слева) и MCPM (справа). «Поле плотности MCPM идентифицирует нитевидную структуру со значительно более высокой точностью
Инструмент MCPM дал более уверенные результаты. Однако данная работа — это не просто оценка инструмента. Цель работы — изучить, как филаменты влияют на эволюцию галактик. «Здесь мы изучаем, как филаменты космической паутины, основанные на поле плотности MCPM, влияют на активность галактического звёздообразования и долю газа», — говорится в статье.
Полученные результаты демонстрируют поразительную разницу между темпами звёздообразования в поле DTFE и поле MCPM. Согласно результатам DTFE, галактики гаснут по мере приближения к филаментам для всех звёздных масс на низких красных смещениях. Но в поле MCPM »…расстояние до филаментов, по-видимому, практически не влияет на звёздообразование галактик высокой, промежуточной и низкой массы», — поясняют авторы.
Это ещё не всё. Поскольку поле MCPM лучше выявляет менее заметные филаменты по сравнению с DTFE, результаты исследования слизистой формы MCPM показали, что практически все галактики живут вблизи филамента. Это противоречит предыдущим результатам DTFE, полученным в других исследованиях. «Большинство галактик находится на расстоянии примерно ~ 1,5–2,5 Мпк от позвоночника нити MCPM», — пишут авторы.
Слизистым формам явно есть чему научить нас во Вселенной, в которой мы живём. Более глубокие результаты этого исследования показывают, что звёздообразование находилось на одинаковом уровне как вблизи, так и вдали от филаментов MCPM в ранние эпохи z~2. «Это служит доказательством того, что филаменты в ранние эпохи могут эффективно поставлять газ в галактики, что позволяет им быстро расти», — резюмируют авторы. Этот результат согласуется с недавними результатами, полученными с помощью Уэбба, которые показывают, что в ранней Вселенной существовали массивные галактики.
Однако на более поздних этапах развития Вселенной ситуация меняется. Моделирование показывает, что более толстые филаменты фактически снижают скорость звёздообразования, уменьшая поступление газа в галактики в течение последних 10 млрд лет.
Структура Вселенной в самом крупном масштабе
Понимание того, как растут и эволюционируют галактики, является одной из основных задач астрофизики. Данное исследование, проведённое с помощью слизистых форм, проливает свет на то, как всё это происходит. Но будущее может быть ещё более захватывающим, когда речь идёт о слизистых формах и астрофизике.
«Возможно, ещё более захватывающим является то, что наш новый метод может быть применён к наборам данных наблюдений для определения структуры космической паутины в реальной Вселенной», — пишут Хасан и его коллеги. В ближайшее время мы получим ещё больше данных от таких телескопов, как JWST, «Евклид», Римский космический телескоп и других».
Исследователи могут положиться на одну из самых непритязательных форм жизни в природе, которая поможет разобраться во всех этих грядущих данных.
