สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวได้ช่วยทำแผนที่บริเวณที่มองไม่เห็นของจักรวาล | เผยแพร่ 13 มี.ค. 2020 17:30 น ศาสตร์ หุ่นจำลองผ้าใยบวบสีชมพูและสีส้มของสิ่งที่จักรวาลอาจมี
การจำลองและการสังเกตชี้ให้เห็นว่าหากคุณซูมออกมากพอ จักรวาลจะมีลักษณะเช่นนี้ Volker Springel/Max Planck Institute For Astrophysics/SPL
แม่พิมพ์เมือกไม่คิด แต่คำนวณได้ สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวจะปกป้องตัวเองในช่วงเวลาที่อุดมสมบูรณ์ แต่เมื่อต้องเผชิญกับความยากลำบาก พวกมันจะรวมตัวกันเป็นกลุ่มสิ่งมีชีวิตที่แสดงการสำรวจ การเรียนรู้และความทรงจำในการตามล่าหาอาหาร ซึ่งไม่เลวสำหรับสิ่งมีชีวิตที่ไม่มีสมองหรือระบบประสาท โดยเฉพาะอย่างยิ่งสายพันธุ์ Physarum polycephalumได้กลายเป็นที่ชื่นชอบของนักวิจัยในหลายสาขา ที่ได้ใช้ประโยชน์จากธรรมชาติของการบุกเบิกเพื่อวิเคราะห์ทุกอย่างตั้งแต่ถนนสายเก่าไปจนถึงนักช็อปสมัยใหม่ ตอนนี้ นักดาราศาสตร์ได้ออกแบบสิ่งมีชีวิตในรูปแบบดิจิทัลเพื่อศึกษาจักรวาลด้วยตัวมันเอง
“ไม่ใช่เพียงสัตว์หรือพืชเท่านั้น พวกมันไม่ใช่แม้แต่เชื้อราด้วย พวกมันคือพวกต่อต้านศาสนา ซึ่งเป็นรูปแบบชีวิตที่เรียบง่ายขึ้น” โจเซฟ เบอร์เชตต์ นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาครูซ และผู้เขียนร่วมของการศึกษาใหม่ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากราเมือกกล่าว
และอัลกอริธึมที่อิงจากรูปแบบชีวิตที่เรียบง่าย
เหล่านั้นดูเหมือนจะประสบความสำเร็จเมื่อการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์อื่นๆ ล้มเหลว จากการวิจัยที่ตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ใน The Astrophysical Journal Letters นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้ทำนายรูปแบบที่แม่นยำของเว็บที่ซับซ้อนของเส้นใยสสารที่มองไม่เห็นซึ่งส่วนใหญ่ที่นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์เชื่อว่าครอบคลุมทั่วทั้งจักรวาล การสังเกตครั้งก่อนมีแนวโน้มที่จะมองเห็นเพียงแวบเดียวของโครงสร้างที่เข้าใจยากนี้ และดาราจักรบางแห่งดูเหมือนจะติดตามเส้นใยที่ชัดเจน แต่แบบจำลองคอมพิวเตอร์นี้มีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งจากราสไลม์ ได้เชื่อมโยงหลักฐานที่มีอยู่ทั้งหมดเข้าด้วยกันเป็นแผนที่แบบครบวงจรของเว็บคอสมิกในท้องถิ่นของเรา ครั้งแรก Burchett กล่าว เขาคาดว่าการจำลองนี้จะนำทางนักดาราศาสตร์เช่นเขาในขณะที่พวกเขาพยายามทำความเข้าใจว่ากาแล็กซีวิวัฒนาการอย่างไรและทำไมบางคนถึงตายในที่สุด
ดาวทุกดวงที่คุณมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าอยู่ในกาแลคซีของเรา ทางช้างเผือก แต่นั่นเป็นเพียงเศษเสี้ยวเล็กๆ ของสิ่งที่อยู่ข้างนอกนั้น กาแล็กซีเองรวมตัวกันเป็นเกลียวๆ ที่ร้อยรวมกันเป็น “ใย จักรวาล ” ที่ใหญ่โตจนเข้าใจไม่ได้ โดยมี “เส้นใย” ของสสารที่แยกจากกันด้วยช่องว่างอันกว้างใหญ่ไพศาล
การจะมองภาพรวมให้ดูดีทั้งหมดนั้นยากเพราะว่าเรามีขนาดเล็กมากในการเปรียบเทียบ (มนุษย์ที่พยายามทำแผนที่แบบนี้ก็เหมือนกับแบคทีเรียที่พยายามนึกภาพโลก ระบบสุริยะ และระบบดาวใกล้เคียง) แต่นักวิจัยใช้สามกลอุบายเพื่อรับมือบนเว็บจักรวาล
ประการแรก นักดาราศาสตร์ได้สังเกตเห็นว่าดาราจักรดูเหมือนจะเรียงตัวกันเป็นเส้นๆ เรียงต่อกัน ประการที่สอง กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้สังเกตควาซาร์ที่อยู่ห่างไกลจำนวนมาก (กาแลคซีที่สว่างมาก) ที่ส่องประกายไปทั่วอวกาศระหว่างดาราจักรเช่นไฟฉาย และด้วยการวัดแสงที่ลำแสงเหล่านั้นจางลงขณะเดินทาง นักวิจัยสามารถบอกได้ว่าพวกเขาวิ่งไปที่ใด (ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะถูกลากโดยไฮโดรเจนที่เป็นกลาง) ตลอดทาง แต่แวบเดียวเหล่านี้แคบ – Burchett เรียกพวกเขาว่า “ไม้เสียบไม้ดินสอ” เพื่อให้เข้าใจถึงทั้งเว็บ นักวิจัยหันไปใช้เครื่องมือที่สาม: การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์
โปรแกรมเหล่านี้พยายามเลียนแบบการพัฒนาของทั้งจักรวาล พวกเขาเริ่มต้นจากอนุภาคที่นุ่มนวลหลังจากบิ๊กแบง – ทั้งสสารปกติและ “สสารมืด” ที่มองไม่เห็นซึ่งสันนิษฐานว่าครอบงำทั้งจักรวาลโบราณและสมัยใหม่ จากนั้นเมื่อแรงโน้มถ่วงดึงสสารทั้งสองประเภทมารวมกันเป็นกลุ่ม จักรวาลก็ขยายตัว ขยายกอเหล่านั้นออกเป็นเส้นใยหลายขนาด และสร้างใยจักรวาล แบบจำลองเหล่านี้ทำนายโครงสร้างโดยรวม ทั้งส่วนที่หนาและบาง แต่เนื่องจากพวกมันเริ่มต้นจากการกำหนดค่าแบบสุ่ม พวกมันไม่ได้สร้างแผนที่ที่ตรงกับจักรวาลจริง เช่น ทางช้างเผือกที่นี่และกาแล็กซีแอนโดรเมดาที่นั่น Burchett กล่าว โมเดลอื่นๆ ที่สร้างขึ้นจากการสังเกตการณ์จริงทำให้ปริมาณของเว็บใกล้กับกาแลคซีถูกต้อง แต่พยายามดิ้นรนที่จะสร้างเส้นใยเล็ก ๆ ที่ละเอียดออกไปไกลออกไป เขาต้องการทั้งสองอย่าง
ใส่แม่พิมพ์เมือก Burchett ผู้สนใจว่าก๊าซไหล
ไปตามใยคอสมิกที่ส่งผลต่อการก่อตัวดาวฤกษ์และดาราจักรอย่างไร กำลังดิ้นรนเพื่อหาแบบจำลองที่ทำในสิ่งที่เขาต้องการ เมื่อเพื่อนร่วมงานนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์Oskar Elekแนะนำว่างานศิลปะที่ได้รับแรงบันดาลใจจากแม่พิมพ์ของSage Jenson ศิลปินชาวเยอรมัน นั้นดูคล้ายกับการเชื่อมต่อที่ประหยัดของเว็บอย่างน่าสงสัย Burchett รู้สึกไม่มั่นใจในตอนแรก แต่หลังจากที่ Elek แก้ไขโค้ดของราเมือกเพื่อ “ป้อน” บนกาแลคซีที่กระจัดกระจายไปทั่วพื้นที่ 3 มิติ (เมื่อเทียบกับจานเพาะเชื้อแบบแบน) ความคล้ายคลึงกันก็ปฏิเสธไม่ได้ “เมื่อเขาแสดงผลลัพธ์ให้ฉันเห็น ฉันรู้สึกแย่มาก” Burchett กล่าว
วิธีการทำงาน: โมเดลฉบับสมบูรณ์ทำให้เซลล์ราเมือกเสมือนหลุดออกจากแผนที่ของกาแลคซีจริงมากกว่า 37,000 แห่ง (จากการสำรวจ Sloan Digital Sky Survey ) ซึ่งกินพื้นที่เกือบหนึ่งพันล้านปีแสงประมาณ 250 ล้านปีแสง โดยมีกาแล็กซีที่ใหญ่กว่าเป็นตัวแทนของกาแล็กซี กองอาหารขนาดใหญ่ ในขณะที่สิ่งมีชีวิตค้นหาวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการเข้าถึงงานฉลองต่างๆ พวกมันวางเส้นทางที่นักวิจัยหวังว่าจะติดตามใยจักรวาลที่แท้จริง เมื่อมองแวบแรก ตัวแบบดูเหมือนจะสร้างโครงสร้างที่ถูกต้องด้วยเส้นใยที่ครอบคลุมช่วงขนาดที่สันนิษฐานไว้ แต่การดูน่าเชื่อถือไม่เพียงพอ
การแสดงภาพว่าราเมือกรวมตัวกันอย่างไรในจักรวาล
โครงสร้างที่เหมือนเว็บของจักรวาลของเรา ตามที่คาดการณ์ไว้โดยเซลล์ราเมือกเสมือนจริงที่หิวโหย Burchett et al., ApJL, 2020
เพื่อทดสอบความเครียดในแผนที่ พวกเขาเปรียบเทียบกับจักรวาลปลอมที่สร้างขึ้นแบบดิจิทัล พวกเขาใช้แบบจำลองจักรวาลวิทยาแบบดั้งเดิมตั้งแต่บิกแบงจนถึงยุคปัจจุบัน เพื่อให้ได้เว็บคอสมิกเต็มรูปแบบด้วยรูปแบบที่เหมือนจริงของสสารมืดและกาแล็กซี จากนั้นพวกเขาก็โยนสสารมืดทิ้งไปและป้อนราเมือกของพวกมันให้กับกาแลคซีที่มองเห็นได้ หลังจากที่ความคลั่งไคล้ในการป้อนอาหารเสมือนจริงสงบลง ราเมือกก็ประสบความสำเร็จในการติดตามรูปแบบเว็บของสสารมืดที่ถูกทิ้ง เส้นหนา และเส้นเล็ก ๆ เหมือนกันเกือบสมบูรณ์แบบ ทั้งใกล้กาแลคซี่ขนาดใหญ่และไกลออกไป
ด้วยความเชื่อมั่นว่าแบบจำลองราเมือกรู้วิธีค้นหาโครงสร้างที่มองไม่เห็นของเว็บ ทีมงานจึงเริ่มที่จะผูกหลักฐานทั้งสามบรรทัดไว้ด้วยกัน พวกเขากลับไปที่แผนที่ที่สร้างขึ้นแบบดิจิทัลของ จักรวาล จริงโดยอิงตามตำแหน่งจริงของกาแลคซีที่มองเห็นได้ซึ่งเห็นโดย Sloan Digital Sky Survey และเปรียบเทียบกับ “แท่งดินสอเสียบ” ของฮับเบิลในเว็บ
พวกเขาพบว่าทุกอย่างเข้าคู่กันเป็นส่วนใหญ่ ในกรณีที่แผนที่ราเมือกทำนายความว่างเปล่า ฮับเบิลเห็นก๊าซไฮโดรเจนที่เป็นกลางน้อยมาก ในแผนที่ของราเมือกทำนายใยแมงมุมบางๆ ฮับเบิลเห็นว่าก๊าซไฮโดรเจนมีความเข้มข้นปานกลาง นักดาราศาสตร์ได้สันนิษฐานไว้นานแล้วว่าก๊าซไฮโดรเจนในอวกาศระหว่างกาแล็กซี่ติดตามใย และ “นี่เป็นการเชื่อมโยงข้อสรุปแรก” ของทั้งสองตามรายงานของ Burchett
ในกรณีที่ราเมือกหนาที่สุด ฮับเบิลเห็นก๊าซไฮโดรเจนเป็นกลางลดลง อัลกอริธึมล้มเหลวในการตรวจจับเว็บที่จุดแข็งที่สุดหรือประสบความสำเร็จและฮอตสปอตเหล่านี้ยากที่ฮับเบิลจะมองเห็น Burchett กำลังเดิมพันอย่างหลัง เขาบอกว่าเว็บหนาขึ้นที่ทางแยกของจักรวาลที่มีความรุนแรงซึ่งกาแลคซีที่ชนกันจะส่งคลื่นกระแทกและหลุมดำขนาดมหึมาพ่นพลังงานลงสู่ก้นบึ้ง ในพื้นที่เหล่านี้ กิจกรรมที่วุ่นวายจะแยกก๊าซไฮโดรเจนออกจากกัน และฮับเบิลก็มองไม่เห็นเศษซากนี้
