Поведение слизевика оказалось неплохим методом выявления космической паутины ( 2 фото )

Астрономы представили новый алгоритм поиска нитей космической паутины, который основан на поведении слизевика. Оказалось, что используемый живым организмом способ нахождения еды можно адаптировать для космологической задачи. В результате удается обойти основные ограничения альтернативных вычислительных методов, пишут авторы в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Согласно современным представлениям, крупномасштабная структура Вселенной похожа на трехмерную сеть или пену. В ней крупные объемы с пониженной плотностью вещества (войды) граничат с нитчатыми структурами (филаментами), вдоль которых расположена основная доля вещества. Типичный размер таких структур составляет порядка нескольких мегапарсек.

Наилучшим образом такое распределение прослеживается в крупных обзорах галактик. Однако на больших расстояниях в них попадают только самые яркие объекты и их скопления, которые, как правило, находятся на месте пересечения филаментов. Вместе с тем считается, что существенная доля обычного вещества находится вдоль филаментов в виде разреженного газа, в котором нет звезд или других светящихся источников.

Эта ситуация получила название проблемы недостающих барионов, так как получающаяся из теоретических соображений и анализа реликтового излучения оценка общей плотности барионов оказывается заметно выше, чем может содержаться в галактиках и других попадающих в обзоры объектах. И хотя существуют отдельные работы, в которых приводятся свидетельства в пользу обнаружения газа между скоплениями галактик, полноценного решения этой проблемы пока нет.

Астрономы из США и Чили при участии Джозефа Бурчетта (Joseph Burchett) из Калифорнийского университета в Санта-Крузе создали и опробовали новый численный алгоритм поиска разреженного газа в данных обзоров, который вдохновлен поведением слизевика Physarum polycephalum. По утверждению авторов, новый подход способен обойти два основных ограничения альтернативных методов: необходимость определения плотности вещества на расстоянии до нескольких мегапарсек от галактик, а также работа на большом диапазоне масштабов от небольших групп галактик до размеров войдов.

Physarum polycephalum обладает сложным жизненным циклом и в целом может быть отнесен к бесклеточным организмам. На одной из стадий он образует одну макроскопическую клетку с множеством ядер — плазмодий. В таком форме слизевик обладает ярко-желтым цветом и может ползать со скоростью до нескольких сантиметров в час, а также выпускать длинные отростки, которые формируют сеть для поиска еды. Когда пища найдена, то лишние ответвления втягиваются, а соединяющее текущее положение основной части с едой утолщается. Фактически, организм таким образом решает задачу о нахождении кратчайшего пути между двумя точками, причем делает это весьма хорошо, обычно находя близкое к оптимальному решение.


Авторы используют разработанную в 2010 году цифровую модель поведения слизевика и адаптировали ее для работы с астрономическими данными. Исходная работа симулирует деятельность организма посредством введения множества отдельных самостоятельно движущихся единиц, которые независимо притягиваются к источникам химических сигналов, оставляя в каждый момент времени собственный химический след.

В новой работе исследователи обобщили модель на трехмерный случай и ввели новое правило отбора траекторий: вместо однозначного движения вдоль максимального градиента концентрации, «астрономический слизевик» выбирает путь вероятностно, так что может выбрать и локально неоптимальный путь, хоть и будет это делать нечасто. Такая модификация позволила на выходе программы получить вероятность распределения филаментов, а не единственную конфигурацию с максимальным правдоподобием.

В качестве входных данных авторы использовали выборку в 37662 галактики из обзора SDSS, расположенные в диапазоне красных смещений от 0,0138 до 0,0318. В данном случае галактики служат в качестве «еды» для «астрономического слизевика», причем их масса определяет ее количество. По мере работы программы слизевик распространяется по всему доступному объему, достигая положения равновесия, соответствующего близкой к оптимальной транспортной сети между галактиками. Плотность газа в филаментах в таком случае пропорциональна оставленному следу, источниками которого являются как сами галактики, так и отдельные модельные компоненты.

Для калибровки полученного распределения астрономы воспользовались данными о поглощении нейтральным водородом света квазаров, расположенных намного дальше изученной области Вселенной. На использованной площадке неба находится более пятисот квазаров, которые с высокой точностью наблюдал космический телескоп «Хаббл». В спектре излучения этих ярких источников наблюдается Lyα-лес, то есть множественные поглощения от расположенных на разных красных смещениях облаков нейтрального водорода, которые не видны иным образом.

Полученные слизевиком карты распределения оказались в согласии с имеющимися для отдельных точек данными по квазарам, кроме мест с наибольшей плотностью газа. Впрочем, авторы называют это ожидаемым, так как в этих областях условия среды приводят к ионизации водорода, который перестает поглощать в линии Lyα.

Недавно астрономы на конкретном примере напрямую увидели недостающую барионную материю Вселенной, заметили их присутствие на большом красном смещении и определили форму Местного войда.

Тимур Кешелава