En beräkningsmetod inspirerad av tillväxtmönstren hos en ljusgul slemmögel har gjort det möjligt för ett team av astronomer och datavetare vid UC Santa Cruz att spåra filamenten i det kosmiska nätet som förbinder galaxer i hela universum.

Deras resultat, publicerad 10 mars in Astrofysiska tidskriftsbrev , tillhandahålla den första avgörande kopplingen mellan den diffusa gasen i utrymmet mellan galaxer och den storskaliga strukturen hos det kosmiska nätet som förutspåtts av kosmologisk teori.

Enligt den rådande teorin, när universum utvecklades efter big bang, materia distribuerades i ett webbliknande nätverk av sammankopplade filament åtskilda av enorma tomrum. Ljusande galaxer fulla av stjärnor och planeter bildas vid skärningspunkterna och tätaste områdena av glödtrådarna där materia är mest koncentrerad. Filamenten av diffus vätgas som sträcker sig mellan galaxerna är i stort sett osynliga, även om astronomer har lyckats skymta delar av dem.

Inget av det verkar ha något att göra med en lågmög slemmögel som heter Physarum polycephalum, finns vanligtvis växande på ruttnande stockar och lövströ på skogsbotten och ibland bildar svampiga gula massor på gräsmattor. Men Physarum har en lång historia av att överraska forskare med sin förmåga att skapa optimala distributionsnät och lösa beräkningssvåra rumsliga organisationsproblem. I ett berömt experiment, en slemmögel replikerade layouten av Japans järnvägssystem genom att koppla samman matkällor som var arrangerade för att representera städerna runt Tokyo.

Joe Burchett, en postdoktor i astronomi och astrofysik vid UC Santa Cruz, hade letat efter ett sätt att visualisera det kosmiska nätet i stor skala, men han var skeptisk när Oskar Elek, en postdoktor i beräkningsmedia, föreslog att man använder en Physarum-baserad algoritm. Trots allt, helt andra krafter formar det kosmiska nätet och tillväxten av en slemmögel.

Men Elek, som alltid har varit fascinerad av mönster i naturen, hade blivit imponerad av Physarum "biofabrications" av Berlin-baserade konstnären Sage Jenson. Börjar med den 2-dimensionella Physarum-modellen Jenson använde (ursprungligen utvecklad 2010 av Jeff Jones), Elek och en vän (programmeraren Jan Ivanecky) utökade den till tre dimensioner och gjorde ytterligare modifieringar för att skapa en ny algoritm som de kallade Monte Carlo Physarum Machine.

Burchett gav Elek en datauppsättning på 37, 000 galaxer från Sloan Digital Sky Survey (SDSS), och när de tillämpade den nya algoritmen på den, resultatet var en ganska övertygande representation av det kosmiska nätet.

"Det var ett slags Eureka-ögonblick, och jag blev övertygad om att slemmögelmodellen var vägen framåt för oss, " sa Burchett. "Det är lite tillfälligt att det fungerar, men inte helt. En slemform skapar ett optimerat transportnätverk, hitta de mest effektiva vägarna för att koppla samman matkällor. I det kosmiska nätet, tillväxten av struktur producerar nätverk som också på sätt och vis, optimal. De underliggande processerna är olika, men de producerar matematiska strukturer som är analoga."

Elek noterade också att "modellen vi utvecklade är flera lager av abstraktion bort från sin ursprungliga inspiration."

Självklart, en stark visuell likhet mellan modellresultaten och den förväntade strukturen hos det kosmiska nätet bevisar ingenting. Forskarna utförde en mängd olika tester för att validera modellen medan de fortsatte att förfina den.

Tills nu, de bästa representationerna av den kosmiska webben har framkommit från datorsimuleringar av utvecklingen av strukturen i universum, visar fördelningen av mörk materia på stor skala, inklusive de massiva mörka materiens halos där galaxer bildas och filamenten som förbinder dem. Mörk materia är osynlig, men det utgör ungefär 85 procent av materien i universum, och gravitationen gör att vanlig materia följer fördelningen av mörk materia.

Burchetts team använde data från Bolshoi-Planck kosmologiska simulering – utvecklad av Joel Primack, professor emeritus i fysik vid UC Santa Cruz, och andra - för att testa Monte Carlo Physarum Machine. Efter att ha extraherat en katalog av mörk materia-halos från simuleringen, de körde algoritmen för att rekonstruera nätet av filament som förbinder dem. När de jämförde resultatet av algoritmen med den ursprungliga simuleringen, de hittade en snäv korrelation. Slemmögelmodellen replikerade i huvudsak nätet av filament i simuleringen av mörk materia, och forskarna kunde använda simuleringen för att finjustera parametrarna för sin modell.

"Börjar med 450, 000 mörk materia halos, vi kan få en nästan perfekt passning till densitetsfälten i den kosmologiska simuleringen, " sa Elek.

Burchett utförde också vad han kallade en "sanity check, " att jämföra SDSS-galaxernas observerade egenskaper med gasdensiteterna i det intergalaktiska mediet som förutsägs av slemmögelmodellen. Stjärnbildningsaktiviteten i en galax bör korrelera med densiteten i dess galaktiska miljö, och Burchett var lättad över att se de förväntade korrelationerna.

Nu hade teamet en förutspådd struktur för det kosmiska nätet som förbinder 37, 000 SDSS-galaxer, som de kunde testa mot astronomiska observationer. För detta, de använde data från Hubble Space Telescopes Cosmic Origins Spectrograph. Intergalaktisk gas lämnar en distinkt absorptionssignatur i spektrumet av ljus som passerar genom den, och siktlinjerna för hundratals avlägsna kvasarer genomborrar volymen av rymden som ockuperas av SDSS-galaxerna.

"Vi visste var filamenten i det kosmiska nätet skulle vara tack vare slemformen, så vi kunde gå till de arkiverade Hubble-spektra för kvasarerna som undersöker det utrymmet och letar efter gasens signaturer, Burchett förklarade. "Varhelst vi såg en glödtråd i vår modell, Hubble-spektrat visade en gassignal, och signalen blev starkare mot mitten av filamenten där gasen borde vara tätare."

I de tätaste områdena, dock, signalen föll. Även detta motsvarade förväntningarna, han sa, eftersom uppvärmning av gasen i dessa regioner joniserar vätet, ta bort elektroner och eliminera absorptionssignaturen.

"För första gången nu, vi kan kvantifiera tätheten av det intergalaktiska mediet från de avlägsna utkanterna av kosmiska vävfilament till det heta, täta inre av galaxhopar, ", sa Burchett. "Dessa resultat bekräftar inte bara strukturen av det kosmiska nätet som förutspåtts av kosmologiska modeller, de ger oss också ett sätt att förbättra vår förståelse av galaxens evolution genom att koppla den till gasreservoarerna som galaxer bildas ur."

Burchett och Elek träffades genom medförfattaren Angus Forbes, en docent i beräkningsmedia och chef för UCSC Creative Coding-labbet vid Baskin School of Engineering. Burchett och Forbes hade börjat samarbeta efter att ha träffats på en öppen mikrofonkväll för musiker i Santa Cruz, fokuserar initialt på en datavisualiseringsapp, som de publicerade förra året.

Forbes introducerade också Elek till Sage Jensons verk, inte för att han trodde att det skulle gälla Burchetts kosmiska webbprojekt, men för att "han visste att jag var ett naturmönsterfreak, " sa Elek.

Medförfattare J. Xavier Prochaska, en professor i astronomi och astrofysik vid UCSC som har gjort banbrytande arbete med kvasarer för att undersöka strukturen hos det intergalaktiska mediet, sa, "Denna kreativa teknik och dess oväntade framgång lyfter fram värdet av tvärvetenskapliga samarbeten, där helt andra perspektiv och expertis kommer till användning på vetenskapliga problem."

Forbes Creative Coding-labb kombinerar tillvägagångssätt från mediekonst, design, och datavetenskap. "Jag tror att det kan finnas verkliga möjligheter när man integrerar konsten i vetenskaplig forskning, "Kreativa metoder för att modellera och visualisera data kan leda till nya perspektiv som hjälper oss att förstå komplexa system."