宇宙の物質は均等に分配されていません。それは、巨大なボイドに囲まれたスーパークラスターとそれらをつなぐ物質のフィラメントによって支配されています。 Galaxyスーパークラスターは階層の最上位にあります。それらの中に他のすべてがあります：銀河グループとクラスター、個々の銀河、太陽系。この階層構造は「コズミックウェブ」と呼ばれています。
しかし、どのようにそしてなぜ宇宙はこの形を取ったのでしょうか？
カリフォルニア大学サンタクルーズ校の天文学者とコンピューター科学者のチームは、それを解明するために興味深いアプローチをとりました。彼らは粘菌の成長パターンに基づいてコンピューターモデルを構築しました。粘菌が自然の他のパターンを説明するのに役立ったのはこれが初めてではありません。
チームは、「コズミックウェブのダークスレッドの解明」というタイトルの結果をまとめた調査を発表しました。筆頭著者は、カリフォルニア大学サンタクルス校の天文学と天体物理学の博士研究員であるジョセフバーチェットです。この研究は、The Astrophysical Journal Lettersに掲載されました。
現代の宇宙論は、物質がこれらのスーパークラスターとフィラメント、そしてそれらを分離する巨大なボイドの形をとると予測しています。しかし、1980年代までは、科学者たちは銀河団が最大の構造であると考えていました。また、銀河団は宇宙全体に均一に分布しているとも考えていました。
その後、スーパークラスターが発見されました。次にクエーサーのグループ。その上で、構造とボイドの発見がますます増えました。その後、スローンデジタルスカイサーベイと巨大な宇宙の3Dマップ、そしてミレニアムシミュレーションのような他の取り組みが始まりました。
これらすべてのスーパークラスターと銀河のグループを接続する物質のフィラメントは、見えにくくなっています。ほとんどの場合、水素を拡散するだけです。しかし、天文学者たちはそれを垣間見ることができました。
粘菌に入ります。粘菌は、単一細胞として完全に細かく生きている単細胞生物ですが、自律的に凝集多細胞構造も形成します。食べ物が豊富なときは一人で行動しますが、食べ物が不足しているときは一緒に束ねます。集団状態では、化学物質の検出、食品の発見に優れており、胞子を生成する茎を形成することさえできます。
粘菌は注目に値する生き物であり、科学者はプレスリリースが言うように、「最適な分布ネットワークを作成し、計算上困難な空間組織の問題を解決する」という生き物の能力に戸惑い、興味をそそられています。 2018年、日本の科学者たちは、粘菌が東京の鉄道システムのレイアウトを複製することができたと報告しました。
Oskar Elekは、サンタクルスのU of Cにある計算メディアの博士研究員です。彼は、著者のジョセフ・バーシェットをリードして、粘菌が物質の宇宙分布を模倣し、それを視覚化する方法を提供できる可能性があることを示唆した。
バーシェットは当初、懐疑的でした。
「それは一種のユーレカの瞬間であり、私は粘菌モデルが私たちにとって前進的な道であると確信しました。」
ジョセフ・バーシェット、筆頭著者。 CのU、サンタクルーズ。
アートの世界からの2Dインスピレーションを利用して、Elekと別のプログラマーは、モンテカルロフィサルムマシンと呼ばれる粘菌挙動の3Dアルゴリズムを作成しました。 Physarumはあらゆる種類の研究で使用されるモデル生物です。
Burchettは、37,000の銀河とそれらの宇宙での分布を含むSloan Digital Sky SurveyからElekデータを提供することを決定しました。彼らが粘菌アルゴリズムを実行したとき、その結果は「宇宙ウェブのかなり説得力のある表現」でした。
「それは一種のユーレカの瞬間でした、そして私は粘液型モデルが私たちにとって先の道であると確信しました」とバーチェットは言いました。 「それが機能するのは偶然ですが、完全に機能するわけではありません。粘菌は、最適化された輸送ネットワークを作成し、食物源を接続するための最も効率的な経路を見つけます。宇宙のウェブでは、構造の成長が、ある意味で最適でもあるネットワークを生み出します。基礎となるプロセスは異なりますが、類似した数学的構造を生成します。」
しかし、説得力があるにもかかわらず、スライム型は大規模構造の視覚的な表現にすぎませんでした。チームはそこで止まりませんでした。彼らはアルゴリズムを改良し、追加のテストを行ってモデルの検証を試みました。
ここで、Dark Matterがストーリーに入ります。ある意味では、宇宙の大規模構造はダークマターの大規模な分布です。銀河はダークマターの巨大なハローで形成され、長いフィラメント構造がそれらを接続しています。ダークマターは宇宙の物質の約85％を占めており、ダークマターのすべての重力が「規則的な」物質の分布を形成しています。
研究者チームは、別の科学シミュレーションから暗黒物質ハローのカタログを入手しました。次に、そのデータを使用してスライムモールドベースのアルゴリズムを実行し、すべてのハローを接続するフィラメントのネットワークを複製できるかどうかを確認しました。結果は、元のシミュレーションと非常に密接な相関関係がありました。
「450,000の暗黒物質ハローから始めて、宇宙論シミュレーションで密度場にほぼ完全に適合させることができます」とElekはプレスリリースで述べています。
粘菌アルゴリズムはフィラメントネットワークを複製し、研究者はそれらの結果を使用してアルゴリズムをさらに微調整しました。
その時点で、チームは大規模構造の構造とすべてをつなぐ宇宙ウェブの予測を持っていました。次のステップは、それを異なる観測データのセットと比較することでした。このために、彼らは由緒あるハッブル宇宙望遠鏡に行きました。その望遠鏡のCosmic Origins Spectrograph（COS）は、銀河間ガスの分光法によって宇宙の大規模構造を研究しています。そのガスはそれ自体は光を放出しないため、分光法が鍵となります。 COSは、ガス自体に焦点を当てるのではなく、ガスを通過する遠方のクエーサーからの光と、銀河間ガスがその光にどのように影響するかを調べます。
「宇宙のウェブのフィラメントがスライム型のおかげでどこにあるべきかわかっていたので、その空間を探査してガスのサインを探すクエーサーのアーカイブされたハッブルスペクトルに行くことができました」とBurchettは説明しました。 「私たちのモデルでフィラメントを見たときはいつでも、ハッブルスペクトルはガス信号を示し、ガスがより密であるはずのフィラメントの中央に向かって信号が強くなりました。」
それは別のユーレカを必要とします。
「初めて、宇宙のウェブフィラメントの遠い郊外から銀河団の熱く密な内部までの銀河間物質の密度を定量化できるようになりました」とBurchettは言いました。 「これらの結果は、宇宙論的モデルによって予測された宇宙ウェブの構造を確認するだけでなく、銀河が形成されるガス貯留層と接続することによって、銀河進化の理解を向上させる方法も提供します。」
この研究は、さまざまな研究者がそれぞれのサイロから出てきて、さまざまな分野で協力することで達成できることを示しています。宇宙論、天文学、コンピュータプログラミング、生物学、さらには芸術さえも、この最も興味深い結果に貢献しました。
「芸術を科学的研究に統合するとき、本当の機会があると思います」と、UCSCクリエイティブコーディングラボの共同執筆者であるAngus Forbes氏は述べています。 「データのモデル化と視覚化への創造的なアプローチは、複雑なシステムを理解するのに役立つ新しい視点につながる可能性があります。」
もっと：
- プレスリリース：天文学者はスライム型モデルを使用して、宇宙のウェブの暗い糸を明らかにします
- 研究論文：宇宙ウェブの暗い糸を明らかにする
- スペースマガジン：新しい3-Dマップは90億年前の宇宙の大規模構造を示しています
