شبیه‌سازی جدید برای ترسیم نقشه “ماده تاریک”

MacTavish · 3/4/20

گرانش در شکل‌دهی به جهان، یک ساختار عظیم تارمانندی از رشته‌ها ایجاد می‌کند که کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را در پل‌های ظریفی به طول صدها میلیون سال نوری کنار هم نگاه می‌دارد. حالا دانشمندان می‌گویند که شباهت قابل ملاحظه‌ای میان این دو شبکه وجود دارد؛ یکی در اثر تکامل زیستی به وجود آمده و دیگری در اثر نیروی گرانش.

بتازگی اخترشناسان با مطالعۀ رفتار یکی از موجودات زنده کوچک جهان به بررسی بزرگ‌ترین ساختارهای کیهانی پرداخته‌اند. این موجود زنده تک‌سلولی به نام «کپک لجن» شبکه‌های رشته‌ای پیچیده‌ای را در جستجوی غذا و یافتن مناسب‌ترین مسیرها برای اتصال به نقاط مختلف ایجاد می‌کند، جالب است این تاز شباهت زیادی به تار کیهانی کهکشان‌ها دارد.

تار کیهانی، ستون بزرگ‌مقیاسِ کیهان است که اساساً از چیز رازآلودی به نام «ماده تاریک» تشکیل شده است. امکان ِ مشاهده ماده تاریک برای ما وجود ندارد، اما قسمت عمدۀ ماده جهان را تشکیل می‌دهد. وجود یک ساختار تارمانند در کیهان، نخستین‌بار در سال ۱۹۸۵ در مرکز بررسی سرخ‌گرایی کشف شد که در مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونیان قرار دارد.

از زمانی که آن مطالعات انجام شد، مقیاسِ بزرگ این ساختار رشته‌ای در بررسی‌های آسمانی مختلف رشد کرده است. رشته‌های مذکور مرز میان خلاءهای بزرگ در کیهان را تشکیل می‌دهند. اما اخترشناسان در یافتن این رشته‌های گریزان با چالش‌های زیادی روبرو هستند، زیرا این گاز به قدری کم‌فروغ است که شناسایی‌اش را سخت می‌کند. اکنون تیمی از اخترشناسان موجود زنده کوچکی به نام «کپک لجن» را مد نظر قرار داده‌اند تا نقشۀ رشته‌های موجود در جهان محلی را ترسیم کرده (یعنی در فاصله ۵۰۰ میلیون سال نوری از زمین) و گاز درون آنها را پیدا کنند.

اخترشناسان با الهام از رفتار کپک لجن، یک الگوریتم رایانه‌ای طراحی کردند و از آن برای شبیه‌سازیِ رایانه‌ای رشد رشته‌های “ماده تاریک” در کیهان استفاده کردند. الگوریتم رایانه‌ای به دستورالعملی شباهت دارد که به رایانه می‌گوید چه اقداماتی برای حل یک مسئله انجام دهد. محققان سپس این الگوریتم کپک لجن را بر روی داده‌های پیاده‌سازی کردند که حاوی موقعیت‌های مکانیِ ۳۷۰۰۰ کهکشان می‌باشد. این کهکشان‌ها توسط «بررسی دیجیتال آسمان اسلون» نقشه‌برداری شدند که ۳۰۰ میلیون سال نوری را تحت پوشش قرار می‌دهد.

این الگوریتم توانست یک نقشه سه‌بعدی از ساختار تار کیهانی به وجود بیاورد. در مرحله بعدی، نور فرابنفشِ ۳۵۰ اختروش که در آرشیو میراث طیف‌سنجی هابل قرار داشت، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. این نورهای کیهانیِ دور در واقع هسته‌های درخشان کهکشان‌های فعالی هستند که توسط سیاهچاله‌ها، انرژی می‌گیرند. این کهکشان‌ها در فضا به روشنی دیده و از طریق تار کیهانی پیش‌زمینه‌ای دیده می‌شوند. نشانه‌های جذب گاز هیدروژن در این نور قابل رویت است و تیم محققان آنها را در نقاط خاصی بر روی رشته‌ها تجزیه و تحلیل کرده‌اند. این نقاط هدف‌گذاری شده فاصله خیلی زیادی از کهکشان‌ها دارند. این عامل به محققان اجازه داد تا گاز را به ساختار بزرگ‌مقیاسِ جهان ارتباط بدهند.

الگوریتم محققان توانست یک نقشه سه‌بعدی از ساختار تار کیهانی به وجود بیاورد. کهکشان‌ها در این تصویر با رنگ زرد نشان داده شده‌اند. در کنار هر تصویر از کهکشان، تصویری از کهکشان‌هایی را ملاحظه می‌کنید به همراه تار کیهانی که رشته‌ها را به یکدیگر وصل می‌کند. این رشته‌ها با رنگ بنفش نشان داده شده است. اعتبار عکس: ناسا، آژانس فضایی اروپا

«جوزف بورشت» نویسنده و محقق ارشد از دانشگاه کالیفرنیا در سانتاکروز گفت: «این بسیار شگفت‌انگیز است که یکی از ساده‌ترین موجودات زنده این فرصت را به ما داده تا بینش عمیق‌تری دربارۀ ساختارهای بزرگ‌مقیاس کیهانی بدست بیاوریم. ما با استفاده از شبیه‌سازی رشته‌های کپک لجن به منظور یافتن موقعیت مکانیِ رشته‌های تار کیهانی (از جمله آن رشته‌هایی که فاصله زیادی با کهکشان‌ها دارند)، توانستیم چگالی گاز سرد را در بخش‌های انتهاییِ آن رشته‌های نامرئی مورد شناسایی قرار داده و مشخص کنیم. در همین راستا، از داده‌های آرشیو تلسکوپ فضایی هابل نیز استفاده شد. دانشمندان از چندین دهه قبل موفق به شناسایی نشانه‌هایی از این گاز شده‌اند. ما نیز در تحقیقات بعدی خود به اثبات این نکته پرداخته‌ایم که این گاز تاز کیهانی را تشکیل می‌دهد.»

همچنین تحقیقات جدید نشان می‌دهد که مناطق چگال‌تر گاز میان‌کهکشانی با رشته‌هایی ساماندهی شده که بیش از ۱۰ میلیون سال نوری از کهکشان‌ها فاصله دارند. این فاصله ۱۰۰ برابر بیشتر از قطر کهکشان راه شیری ماست. اخترشناسان در ردیابی تارهای کیهانیِ گریزان به روش‌های خلاقانه‌ای متوسل شده‌اند. آنها با مطالعۀ رفتار یکی از موجودات زنده کوچک جهان به بررسی بزرگ‌ترین ساختارهای کیهانی پرداخته‌اند. این موجود زنده تک‌سلولی به نام «کپک لجن» شبکه‌های رشته‌ای پیچیده‌ای را در جستجوی غذا و یافتن مناسب‌ترین مسیرها برای اتصال به نقاط مختلف ایجاد می‌کند. آنان «کپک لجن» را مد نظر قرار داده‌اند تا نقشه رشته‌های موجود در جهان محلی را ترسیم کرده (یعنی در فاصله ۵۰۰ میلیون سال نوری از زمین) و گاز درون آنها را پیدا کنند.

«اسکار اِلک» یکی از اعضای تیم، کارهای تحقیقاتیِ هنرمند برلینی «سِیج جنسون» را بررسی کرد. در میان آثار هنری جنسون، یک سری تصاویر خارق‌العاده وجود داشت که نظر اسکار الک را به خود جلب کرده بود. در این تصاویر، رشد شبکه ساختارهای جستجوی غذا توسط کپک لجن به خوبی به نمایش در آمده بود. این اثر هنری جنسون بر پایه تحقیقات علمی بود. لذا محققان از آن برای طراحی الگوریتمی استفاده کردند که بتواند رشد کپک لجن را شبیه‌سازی نماید. اخترشناسان به وجه تشابه قابل ملاحظه‌ای میان چگونگی ساخت رشته‌های پیچیده توسط کپک لجن برای رسیدن به غذا و چگونگی عملکرد گرانش در شکل‌دهی به کیهان دست یافتند. الک بر اساس این شبیه‌سازی توانست یک مدل رایانه‌ای سه‌بعدی از ترکیب کپک لجن ایجاد کند تا موقعیت ساختار رشته‌ای تار کیهانی را تخمین بزند.

اگرچه استفاده از شبیه‌سازیِ الهام گرفته شده از کپک لجن برای یافتن بزرگ‌ترین ساختارهای کیهان، شاید در نگاه اول عجیب و غریب باشد، اما دانشمندان از مدل‌های رایانه‌ای این قبیل از موجودات زنده کوچک استفاده کرده‌اند تا چنین مسائل پیچیده‌ای را حل کنند؛ برای مثال، کارآمدترین مسیرهای ترافیک را در شهرهای بزرگ پیدا کرده‌اند، مازها را حل کرده‌اند و مسیرهای تخلیه را شناسایی کرده‌اند.

“الک” گفت که حل این گونه مسائل برای انسان بسیار سخت است و باید از قابلیت‌های رایانه‌ها برای حل آنها استفاده کنیم. محققان در پایان گفتند که طراحی الگوریتم قابل اطمینانی که بتواند چنین رشته‌هایی را در بررسی بزرگ کهکشان‌ها پیدا کند، کار دشوار و چالش‌برانگیزی است. اما آنان معتقدند که مسیر تحقیقات ادامه دارد و تلاش برای ماجراجویی‌های کیهانی کماکان با قدرت انجام خواهد شد. جزئیات این مقاله در The Astrophysical Journal Letters منتشر شده است.

انجمن رمان نویسی