Tin tức Vũ trụ TV

Các nhà thiên văn học sử dụng mô hình khuôn chất nhờn để tiết lộ các chủ đề tối của lưới vũ trụ

Ngày:
Th3 11, 2020
Tóm lược:

Một cách tiếp cận tính toán lấy cảm hứng từ mô hình tăng trưởng của nấm nhầy màu vàng sáng đã cho phép một nhóm các nhà thiên văn học và nhà khoa học máy tính theo dõi các sợi tơ của mạng lưới vũ trụ kết nối các thiên hà trong vũ trụ.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Một cách tiếp cận tính toán lấy cảm hứng từ mô hình tăng trưởng của nấm nhầy màu vàng sáng đã cho phép một nhóm các nhà thiên văn học và nhà khoa học máy tính tại UC Santa Cruz theo dõi các sợi tơ của mạng lưới vũ trụ kết nối các thiên hà trong vũ trụ.

Kết quả của họ được công bố ngày 10 tháng 3 trên Tạp chí Vật lý thiên văn  cung cấp mối liên hệ kết luận đầu tiên giữa khí khuếch tán trong không gian giữa các thiên hà và cấu trúc quy mô lớn của mạng vũ trụ được dự đoán bởi lý thuyết vũ trụ.

Mạng lưới dây tóc phức tạp này (ở trên) là sự tái tạo của mạng vũ trụ được tạo ra bằng cách cung cấp dữ liệu trên các vị trí và khối lượng của 37.000 thiên hà vào một thuật toán dựa trên mô hình tăng trưởng của nấm mốc. Các hình ảnh bên dưới là chế độ xem mở rộng của các vùng nhỏ, hiển thị các thiên hà bên dưới và bên phải, các sợi của mạng vũ trụ được đặt chồng lên các thiên hà
Mạng lưới dây tóc phức tạp này (ở trên) là sự tái tạo của mạng vũ trụ được tạo ra bằng cách cung cấp dữ liệu trên các vị trí và khối lượng của 37.000 thiên hà vào một thuật toán dựa trên mô hình tăng trưởng của nấm mốc. Các hình ảnh bên dưới là chế độ xem mở rộng của các vùng nhỏ, hiển thị các thiên hà bên dưới và bên phải, các sợi của mạng vũ trụ được đặt chồng lên các thiên hà

Theo lý thuyết phổ biến khi vũ trụ phát triển sau vụ nổ lớn, vật chất được phân phối trong một mạng lưới giống như các sợi liên kết với nhau được phân tách bằng các lỗ rỗng lớn. Các thiên hà phát sáng đầy sao và các hành tinh được hình thành tại các giao điểm và khu vực dày đặc nhất của các sợi tơ, nơi vật chất tập trung nhiều nhất. Các sợi của khí hydro khuếch tán kéo dài giữa các thiên hà phần lớn là vô hình mặc dù các nhà thiên văn học đã cố gắng nhìn thoáng qua các phần của chúng.

Không ai trong số chúng dường như có bất cứ điều gì liên quan đến một loại nấm mốc thấp có tên Physarum polycephalum thường được tìm thấy mọc trên những khúc gỗ mục nát và rác lá trên sàn rừng và đôi khi tạo thành những khối vàng xốp trên bãi cỏ. Nhưng Physarum có một lịch sử lâu dài của các nhà khoa học đáng ngạc nhiên với khả năng tạo ra các mạng phân phối tối ưu và giải quyết các vấn đề tổ chức không gian khó tính toán. Trong một thí nghiệm nổi tiếng, một khuôn chất nhờn đã tái tạo bố cục của hệ thống đường sắt Nhật Bản bằng cách kết nối các nguồn thực phẩm được sắp xếp để đại diện cho các thành phố xung quanh Tokyo.

Joe Burchett, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ về thiên văn học và vật lý thiên văn tại UC Santa Cruz đã tìm kiếm một cách để hình dung lưới vũ trụ trên quy mô lớn nhưng ông đã nghi ngờ khi Oskar Elek, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ về phương tiện tính toán thuật toán dựa trên. Rốt cuộc, các lực hoàn toàn khác nhau định hình mạng lưới vũ trụ và sự phát triển của nấm mốc.

Nhưng Elek, người luôn bị mê hoặc bởi những hoa văn trong tự nhiên đã bị ấn tượng bởi “vật liệu sinh học” Physarum của nghệ sĩ Sage Jenson ở Berlin. Bắt đầu với mô hình Physarum 2 chiều mà Jenson đã sử dụng (ban đầu được phát triển vào năm 2010 bởi Jeff Jones), Elek và một người bạn (lập trình viên Jan Ivanecky) đã mở rộng nó thành ba chiều và thực hiện các sửa đổi bổ sung để tạo ra một thuật toán mới mà họ gọi là Monte Carlo Physarum Machine .

Burchett đã cho Elek một bộ dữ liệu gồm 37.000 thiên hà từ Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan (SDSS) và khi họ áp dụng thuật toán mới cho nó, kết quả là một đại diện khá thuyết phục của lưới vũ trụ.

Nấm slime Physarum polycephalum phát triển một mạng lưới các ống liên kết với nhau khi nó khám phá môi trường cho thực phẩm. (Ảnh tín dụng: Frankenstoen / CC BY )
Nấm slime Physarum polycephalum phát triển một mạng lưới các ống liên kết với nhau khi nó khám phá môi trường cho thực phẩm. (Ảnh tín dụng: Frankenstoen / CC BY )

“Đó là một khoảnh khắc của Eureka, và tôi đã bị thuyết phục rằng mô hình nấm mốc là con đường phía trước cho chúng tôi,” Burchett nói. “Điều này hơi trùng hợp khi nó hoạt động, nhưng không hoàn toàn. Một khuôn chất nhờn tạo ra một mạng lưới giao thông được tối ưu hóa, tìm ra các con đường hiệu quả nhất để kết nối các nguồn thực phẩm. tối ưu. Các quy trình cơ bản là khác nhau nhưng chúng tạo ra các cấu trúc toán học tương tự nhau. “

Elek cũng lưu ý rằng “mô hình chúng tôi phát triển là một vài lớp trừu tượng ra khỏi cảm hứng ban đầu của nó.”

Tất nhiên, sự tương đồng trực quan mạnh mẽ của mô hình dẫn đến cấu trúc dự kiến ​​của vũ trụ không chứng minh được điều gì. Các nhà nghiên cứu đã thực hiện một loạt các thử nghiệm để xác nhận mô hình khi họ tiếp tục tinh chỉnh nó.

Cho đến nay, những biểu hiện tốt nhất của mạng vũ trụ đã xuất hiện từ các mô phỏng trên máy tính về sự tiến hóa của cấu trúc trong vũ trụ cho thấy sự phân bố vật chất tối trên quy mô lớn bao gồm các quầng sáng vật chất lớn trong đó các thiên hà hình thành và các sợi tơ kết nối chúng . Vật chất tối là vô hình nhưng nó chiếm khoảng 85% vật chất trong vũ trụ và lực hấp dẫn khiến vật chất thông thường tuân theo sự phân bố của vật chất tối.

Nhóm của Burchett đã sử dụng dữ liệu từ mô phỏng vũ trụ Bolshoi-Planck – được phát triển bởi Joel Primack, giáo sư danh dự vật lý tại UC Santa Cruz và những người khác – để thử nghiệm máy Monte Carlo Physarum. Sau khi trích xuất một danh mục các quầng vật chất tối từ mô phỏng, họ đã chạy thuật toán để xây dựng lại mạng lưới các sợi tơ kết nối chúng. Khi họ so sánh kết quả của thuật toán với mô phỏng ban đầu, họ đã tìm thấy một mối tương quan chặt chẽ. Mô hình khuôn chất nhờn về cơ bản sao chép mạng lưới sợi trong mô phỏng vật chất tối và các nhà nghiên cứu có thể sử dụng mô phỏng để tinh chỉnh các tham số của mô hình.

Bắt đầu với 450.000 halo vật chất tối, chúng ta có thể có được sự phù hợp gần như hoàn hảo với các trường mật độ trong mô phỏng vũ trụi.

Burchett cũng thực hiện cái mà ông gọi là “kiểm tra độ tỉnh táo”, so sánh các đặc tính quan sát được của các thiên hà SDSS với mật độ khí trong môi trường liên thiên hà được dự đoán bởi mô hình nấm mốc. Hoạt động hình thành sao trong một thiên hà sẽ tương quan với mật độ của môi trường thiên hà và Burchett cảm thấy nhẹ nhõm khi thấy các mối tương quan dự kiến.

Bây giờ nhóm nghiên cứu đã có một cấu trúc dự đoán cho mạng lưới vũ trụ kết nối 37.000 thiên hà SDSS, họ có thể kiểm tra chống lại các quan sát thiên văn. Để làm điều này, họ đã sử dụng dữ liệu từ Máy quang phổ vũ trụ nguồn gốc của Kính viễn vọng Không gian Hubble. Khí liên thiên hà để lại một dấu hiệu hấp thụ đặc biệt trong quang phổ ánh sáng đi qua nó và các đường ngắm của hàng trăm quasar ở xa xuyên qua khối lượng không gian bị chiếm giữ bởi các thiên hà SDSS.

“Chúng tôi biết các sợi tơ của mạng vũ trụ nên nhờ vào chất nhờn, vì vậy chúng tôi có thể đi đến quang phổ Hubble lưu trữ cho các quasar thăm dò không gian đó và tìm kiếm các chữ ký của khí”, Burchett giải thích. “Bất cứ nơi nào chúng tôi thấy một dây tóc trong mô hình của mình, quang phổ Hubble cho thấy tín hiệu khí và tín hiệu mạnh hơn về phía giữa các dây tóc nơi khí nên đậm đặc hơn.”

Tuy nhiên ở các khu vực dày đặc nhất, tín hiệu giảm xuống. Điều này quá phù hợp với mong đợi bởi vì đốt nóng khí ở những vùng đó làm ion hóa hydro, tước bỏ các electron và loại bỏ chữ ký hấp thụ.

Lần đầu tiên, chúng ta có thể định lượng mật độ của môi trường giữa các thiên hà từ vùng ngoại ô xa xôi của các sợi lưới vũ trụ đến lõi nóng, dày đặc của các cụm thiên hà. Những kết quả này không chỉ xác nhận cấu trúc của mạng vũ trụ được dự đoán bởi các mô hình vũ trụ, chúng còn cho chúng ta một cách để cải thiện sự hiểu biết về sự tiến hóa của thiên hà bằng cách kết nối nó với các hồ chứa khí từ đó hình thành các thiên hà.

Burchett và Elek đã gặp nhau thông qua đồng tác giả Angus Forbes, một giáo sư về truyền thông tính toán và giám đốc của phòng thí nghiệm Mã hóa sáng tạo UCSC tại Trường Kỹ thuật Baskin. Burchett và Forbes đã bắt đầu hợp tác sau khi gặp nhau trong một đêm mic mở cho các nhạc sĩ ở Santa Cruz, ban đầu tập trung vào một ứng dụng trực quan hóa dữ liệu mà họ đã xuất bản năm ngoái.

Forbes cũng giới thiệu Elek với tác phẩm của Sage Jenson, không phải vì anh ta nghĩ rằng nó sẽ áp dụng cho dự án lưới vũ trụ của Burchett, mà bởi vì “anh ta biết tôi là một kẻ lập dị tự nhiên”.

Đồng tác giả J. Xavier Prochaska, giáo sư thiên văn học và vật lý thiên văn tại UCSC, người đã thực hiện công việc tiên phong sử dụng các quasar để thăm dò cấu trúc của môi trường liên thiên hà, cho biết: “Kỹ thuật sáng tạo này và thành công không lường trước được của nó làm nổi bật giá trị của sự hợp tác liên ngành, trong đó khác biệt hoàn toàn. Quan điểm và chuyên môn được đưa ra để giải quyết các vấn đề khoa học. “

Phòng thí nghiệm Mã hóa sáng tạo của Forbes kết hợp các phương pháp tiếp cận từ nghệ thuật truyền thông, thiết kế và khoa học máy tính. “Tôi nghĩ rằng có thể có những cơ hội thực sự khi bạn tích hợp nghệ thuật vào nghiên cứu khoa học”, Forbes nói. “Cách tiếp cận sáng tạo để mô hình hóa và trực quan hóa dữ liệu có thể dẫn đến những quan điểm mới giúp chúng ta hiểu được các hệ thống phức tạp.”

Ngoài Burchett, Elek, Prochaska và Forbes, các đồng tác giả còn có Nicolas Tejos tại Đại học Công giáo Giáo hoàng Valparaiso, Chile; Todd Tripp tại Đại học Massachusetts, Amherst; và Rongmon Bordoloi tại Đại học bang North Carolina. Công việc này được NASA hỗ trợ.


Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học California – Santa Cruz . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.


Tạp chí tham khảo :

  1. Joseph N. Burchett, Oskar Elek, Nicolas Tejos, J. Xavier Prochaska, Todd M. Tripp, Rongmon Bordoloi, Angus G. Forbes. Tiết lộ các chủ đề đen tối của vũ trụ . Tạp chí Vật lý thiên văn , 2020; 891 (2): L35 DOI: 10.3847 / 2041-8213 / ab700c

Bài viết liên quan

Bài viết khác