Что слизевики могут рассказать нам о крупномасштабном строении Вселенной и эволюции галактик? Эти вещи могут показаться нелепыми, однако обе они являются частью природы, и земным слизевикам, похоже, есть что рассказать нам о самой Вселенной. Огромные нити газа, пронизывающие Вселенную, имеют много общего со слизевиками и их трубчатыми сетями.
Крупномасштабная структура Вселенной состоит из галактик в группах и скоплениях галактик. Они окружены обширными пустотами, и нити газа проходят через пустоты, связывая вместе группы, скопления и сверхскопления. Но какое влияние оказывают волокна на эволюцию галактик?
Команда исследователей разработала новый способ идентификации этих нитей и создания их каталога. Они использовали симулятор Illustris TNG и симулятор слизевика, чтобы идентифицировать нити. Лучше поняв, где находятся нити, они смогут начать понимать, какую роль они играют в эволюции галактик.
Они представили свои результаты в статье под названием «Нити космической паутины слизи и как они влияют на эволюцию галактик». Исследование было представлено в The Astrophysical Journal, и в настоящее время статья находится на стадии подготовки к печати. Ведущий автор — Фарханул Хасан с факультета астрономии Университета штата Нью-Мексико.
Слизевики — одна из самых необычных форм жизни в природе. Некоторые из них представляют собой коллективные формы жизни, содержащие совокупность различных организмов. Каким-то образом они оптимизируют себя, распространяя трубки по окружающей среде. Это позволяет им перемещаться по лабиринтам, чтобы добраться до еды и вернуться в область, где раньше была еда. Это замечательно, потому что они делают все это без ума. Их необычные способности делают их ценными в астрофизике.
Одна из главных целей астрофизики — понять, как формируются и развиваются галактики. Астрофизики измеряют их массы, обратную связь с их активными галактическими ядрами, взрывы сверхновых и другие процессы, происходящие внутри галактик. Но окружающая среда, в которой находится галактика, также определяет ее эволюцию. Какую роль в галактической эволюции играют нити космической паутины, соединяющие галактики?
Это и есть суть данного исследования.
«Определение основного «экологического» индикатора галактики — это задача, к которой в различных исследованиях подходили по-разному», — объясняют авторы.
«Эволюцию галактик можно анализировать в контексте крупномасштабной структуры Вселенной, известной как «космическая паутина». Эта структура состоит из взаимосвязанной сети нитей, которые являются мостами межгалактической материи, и узлов, которые представляют собой плотные пересечения нитей, где распределение космической плотности наиболее высокое», — пишут они.
Группы галактик, скопления и сверхскопления можно найти в сети, отмечают авторы, и их довольно легко идентифицировать. Однако отдельные нити гораздо сложнее идентифицировать даже в такой мощной модели, как Illustris TNG. «Идентификация нитей космической паутины из редкого распределения галактик, широко известная как «реконструкция» космической паутины, является сложной задачей», — говорится в документе.
Это важно, поскольку волокна влияют на эволюцию галактик. Различные исследования, идентифицирующие нити, пришли к разным выводам. «Например, — пишут авторы, — в то время как некоторые исследования предполагают подавление образования газа и звезд вблизи волокон, другие сообщают об увеличении поступления газа и/или звездообразования». Итак, у ученых явно нет хорошего понимания воздействия нитей на галактики, и это может быть потому, что они неправильно их идентифицируют или не видят их все.
Вот здесь-то и появляются слизевики.
«Наш подход использует новую модель под названием «Машина Монте-Карло Физарум» (MCPM) для оценки поля космической плотности», — пишут они.
MCPM — это вычислительный инструмент, который реконструирует сложные транспортные сети. Как следует из названия, он создан на основе настоящей слизевика Physarum polycephalum. Ученые используют P. polycephalum как нетрадиционный «биологический компьютер» для решения задач навигации по лабиринту, проектирования транспортных систем и выполнения множества других сопутствующих задач. «MCPM вдохновлен пищевыми привычками биологического организма Physarum polycephalum или слизевика, который, как известно, генерирует высокоэффективные взаимосвязанные сети при поиске пищи», — объясняют авторы.
Самым известным применением MCPM было то, что инженеры использовали его для воспроизведения системы токийского метро. Они разложили овсяные хлопья по образцу городов, окружающих Токио, а слизевики построили питательные каналы, соединяющие овес по схеме, очень похожей на существующую систему метро.
В этом исследовании место овсяных хлопьев заняли галактики и скопления. Результат? «Наш подход значительно улучшил схему идентификации нитей…», используемую в других реконструкциях космической паутины, пишут авторы. Исследователи подчеркнули влияние космической паутины как на гашение газа, так и на подачу газа в галактики.
Есть еще один метод идентификации нитей, который ученые используют для реконструкции космической паутины, и он называется оценщиком поля тесселяции Делоне (DTFE). В рамках своего исследования авторы сравнили эффективность DTFE с методом на основе MCPM physarum. «Изменение в выявленной нитевидной структуре между двумя входными данными поля плотности весьма драматично», — заявляют авторы.
В результате DTFE «… успешно соединяет только более массивные галактики», говорится в исследовании. MCPM не только связал большее количество галактик, но также идентифицировал гораздо больше волокон и точно проследил лежащее в их основе распределение темной материи. Нити MCPM также имеют более естественную форму, с более изогнутыми линиями и меньшим количеством резких поворотов.
точность, включая менее заметные волокна, которые пропускает метод поля плотности DTFE», — объясняют авторы. Изображение предоставлено: Хасан и др. 2023.
Инструмент MCPM дал более сильные результаты. Но статья – это не просто оценка инструмента. Цель — изучить, как волокна влияют на эволюцию галактик. «Здесь мы изучаем, как нити космической паутины, основанные на поле плотности MCPM, влияют на активность галактического звездообразования и газовую фракцию», — говорится в статье.
Результаты показывают ошеломляющую разницу между скоростью звездообразования в поле DTFE и в поле MCPM. Согласно результатам DTFE, галактики гаснут по мере приближения к нитям для всех звездных масс с низким красным смещением. Но в области MCPM «… расстояние до нитей, по-видимому, почти не влияет на звездообразование в галактиках с высокой, средней или малой массой», — объясняют авторы.
Есть больше. Поскольку поле MCPM лучше идентифицирует менее заметные волокна по сравнению с DTFE, результаты MCPM показали, что практически все галактики живут вблизи нитей. Это контрастирует с предыдущими результатами DTFE, полученными в результате других исследований. «Большинство галактик расположены на расстоянии примерно ~1,5–2,5 Мпк от хребта нити MCPM», — пишут авторы.
Слизевикам явно есть что рассказать нам о Вселенной, в которой мы живем. Более глубокие результаты этого исследования показывают, что звездообразование происходило на одинаковых уровнях как близко, так и далеко от волокон MCPM в ранние эпохи z ~ 2. «Это доказывает, что волокна на ранних этапах могут эффективно поставлять газ в галактики, что позволяет им быстро расти», — резюмируют авторы. Этот результат сочетается с недавними результатами JWST, показывающими, что в ранней Вселенной присутствовали массивные галактики.
Но позже во Вселенной все меняется. Моделирование показывает, что более толстые нити фактически снижают скорость звездообразования, уменьшая поступление газа в галактики за последние 10 миллиардов лет.
Понимание того, как галактики растут и развиваются, является одной из основных целей астрофизики. Это исследование с помощью слизевиков проливает свет на то, как все это работает. Но будущее может быть еще более захватывающим, когда дело касается слизевиков и астрофизики.
«Возможно, еще более интересным является то, что наш новый метод можно применить к наборам данных наблюдений для определения структуры космической паутины в реальной Вселенной», — пишут Хасан и его коллеги. Мы готовы получить еще более качественные наборы данных от таких телескопов, как JWST, Евклид, Римский космический телескоп и других.
Исследователи могут положиться на одну из самых скромных форм жизни в природе, чтобы разобраться во всех этих предстоящих данных.
