Поведение одного из самых скромных созданий природы помогает астрономам исследовать крупномасштабные структуры во Вселенной.
Одноклеточный организм, известный как слизистая плесень (Physarum polycephalum), образует в поисках пищи сложные нитевидные сети, всегда находя почти оптимальные пути для соединения различных ячеек и локаций.
При формировании Вселенной гравитация создаёт обширную паутиновидную структуру из нитей, связывающих и выстраивающих галактики и скопления галактик вдоль невидимых мостов из газа и тёмной материи длиной в сотни миллионов световых лет.
Существует поразительное сходство между этими двумя сетями: одна создана биологической эволюцией, а другая - изначальной силой гравитации.
Космическая паутина - это крупномасштабная основа космоса, состоящая главным образом из таинственной субстанции, известной как тёмная материя, пронизанной газом, вдоль которой выстраиваются галактики.
Тёмную материю невозможно увидеть, но она составляет основную массу материи во Вселенной. Первые намёки на существование во Вселенной паутиноподобной структуры содержались в исследовании красного смещения, проведённом в 1985 году в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики.
С тех пор с каждым новым исследованием и обзором неба перед учёными всё более разрастается и разворачивается грандиозный масштаб этой нитевидной структуры.
Нити образуют границы между огромными пустотами во Вселенной - войдами.
Однако астрономам сложно было найти эти неуловимые нити, поскольку содержащийся в них газ настолько тусклый, что его трудно обнаружить.
Поэтому команда исследователей, чтобы построить карту расположения нитей в локальной вселенной (в пределах 500 миллионов световых лет от Земли) и найти содержащийся в них газ, обратилась к помощи слизистой плесени.
На основе её строения учёные разработали компьютерный алгоритм и сверили его с моделированием роста нитей тёмной материи во Вселенной.
Далее исследователи использовали в алгоритме слизистой структуры данные о местоположении 37000 галактик, нанесённых на карту с помощью Слоановского цифрового небесного обзора (Sloan Digital Sky Survey), на расстоянии от Земли в пределах 300 миллионов световых лет. Алгоритм создал трёхмерную карту базовой космической паутинной структуры.
Затем они проанализировали ультрафиолетовое излучение от 350 квазаров (расположенных на более далёких расстояниях - в миллиарды световых лет), каталогизированных в Архиве спектроскопического наследия Хаббла, в котором хранятся данные спектрографов орбитального телескопа.
Эти далекие космические "фонари" являются сияющими ядрами активных галактик, питаемых чёрными дырами, и их свет проходит сквозь пространство и переднюю область космической паутины. В их излучении запечатлелась характерная сигнатура поглощения газообразного водорода, и группа учёных исследовала её в определённых точках вдоль нитей.
Эти участки расположены вдали от галактик, что позволило исследовательской группе связать газ с крупномасштабной структурой Вселенной.
"Поистине удивительно, что одна из простейших форм жизни помогает понять самые крупномасштабные структуры во Вселенной, - сообщает ведущий исследователь Джозеф Бёрчетт из Калифорнийского университета в Санта-Круз. - Используя симуляцию слизистой плесени для определения местоположения нитей космической паутины, в том числе вдали от галактик, мы можем ввести архивные данные от космического телескопа Хаббл для обнаружения и определения плотности холодного газа на самых окраинах этих невидимых нитей. Сигнатуры газа обнаруживались учёными в течение нескольких десятилетий, и было доказано теоретическое предположение, что этот газ составляет космическую сеть".
Данный анализ также подтверждает исследования, согласно которым более плотные области межгалактического газа организованы в нити, которые, как обнаружили учёные, простираются на 10 миллионов световых лет от галактик. (Это расстояние более чем в 100 раз превышает диаметр нашей галактики Млечный Путь.)
Исследователи обратились к компьютерной симуляции слизистой плесени, когда искали способ визуализации теоретической связи между структурой космической паутины и холодным газом, обнаруженным в предыдущих спектроскопических исследованиях Хаббла.
Тогда Оскар Элек, один из членов команды и специалист в области компьютерной графики из Калифорнийского университета в Санта-Круз, обнаружил в сети Интернет работы берлинского медиахудожника Сейджа Дженсона.
Среди его работ были завораживающие художественные визуализации, показывающие щупальцеобразную сеть слизевиков, разползающуюся в поисках пищи.
Творчество Дженсона основывалось на внешних научных исследованиях, в которых подробно описывался алгоритм моделирования роста слизистой плесени.
Исследовательская группа отметила поразительное сходство между тем, как слизевики создают сложные переплетения нитей для захвата новых участков с пищей, и тем, как гравитация, формируя Вселенную, образует космическую сеть между галактиками и скоплениями галактик.
Элек разработал трёхмерную компьютерную модель разрастания слизистой плесени, чтобы оценить расположение структуры космической паутины.
Использование симуляции слизевиков для определения крупнейших структур Вселенной может на первый взгляд показаться странным, тем не менее, учёные также использовали компьютерные модели этих скромных микроорганизмов и выращивали их в лаборатории в чашках Петри для решения таких сложных задач, как поиск наиболее эффективных маршрутов движения в больших городах, ликвидация заторов и определение путей эвакуации толпы.
"Эти проблемы сложно решить человеку, не говоря уже о компьютерном алгоритме", - говорит Элек.
"Вы можете примерно определить, особенно на карте галактик в локальной вселенной из данных Слоановского обзора, где должны находиться нити, - объясняет Бёрчетт. - Модель слизистой плесени вполне соответствует этому интуитивному восприятию. Структура, которая должна быть там, неожиданно выявлена компьютерным алгоритмом. Другого известного метода, который подошёл бы для этой задачи в нашем исследовании, у нас не было".
По словам исследователей, очень сложно разработать надёжный алгоритм поиска нитей при таком обширном обзоре галактик.
"Поэтому удивительно видеть, что виртуальная слизь даёт очень близкое приближение за считанные минуты, - говорит Элек. - Вы буквально можете наблюдать, как она растёт".
Для сравнения: выращивание организма в чашке Петри занимает несколько дней. На самом деле, слизистая плесень имеет совершенно особый вид интеллекта для решения этой пространственной задачи. В конце концов, это критически важно для её выживания.
Источники:
https:// www.nasa.gov/ feature/ goddard/ 2020/ slime-mold-simulations -used-to-map -dark-matter -holding-universe-together
https:// www.spacetelescope.org/ news/ heic2003/