Materi di Alam Semesta tidak terdistribusi secara merata. Itu didominasi oleh super-cluster dan filamen materi yang mengikat mereka bersama, dikelilingi oleh kekosongan besar. Galaxy super-cluster berada di puncak hierarki. Di dalamnya ada yang lainnya: kelompok dan kluster galaksi, galaksi individu, dan tata surya. Struktur hierarkis ini disebut "Web Kosmik."
Tetapi bagaimana dan mengapa Semesta mengambil bentuk ini?
Tim astronom dan ilmuwan komputer di University of California Santa Cruz mengambil pendekatan yang menarik untuk mencari tahu. Mereka membangun model komputer berdasarkan pola pertumbuhan cetakan lendir. Ini bukan pertama kalinya cetakan lendir membantu menjelaskan pola-pola lain di alam.
Tim telah menerbitkan sebuah penelitian yang menguraikan hasil mereka yang berjudul "Mengungkap Benang Hitam dari Web Cosmic." Penulis utama adalah Joseph Burchett, seorang peneliti postdoctoral dalam bidang astronomi dan astrofisika di UC Santa Cruz. Studi ini diterbitkan dalam The Astrophysical Journal Letters.
Teori kosmologis modern memprediksikan bahwa materi akan berbentuk super-cluster dan filamen ini, dan kekosongan luas yang memisahkan mereka. Tetapi sampai tahun 1980-an, para ilmuwan berpikir bahwa kluster galaksi adalah struktur terbesar, dan mereka juga berpikir bahwa kluster tersebut didistribusikan secara merata di seluruh alam semesta.
Kemudian super cluster ditemukan. Kemudian kelompok quasar. Terus, dengan semakin banyak penemuan struktur dan rongga. Kemudian datang Sloan Digital Sky Survey dan Peta 3D besar Semesta, dan upaya lain seperti Simulasi Milenium.
Filamen-filamen materi yang menghubungkan semua gugus dan gugus galaksi super sulit untuk dilihat. Sebagian besar, itu hanya hidrogen difus. Tetapi para astronom berhasil menangkapnya.
Masukkan cetakan lendir. Cetakan lendir adalah organisme sel tunggal yang benar-benar hidup baik sebagai sel tunggal, tetapi juga secara mandiri membentuk struktur multi-seluler agregat. Ketika makanan berlimpah mereka bertindak sendiri, tetapi ketika makanan lebih langka, mereka bersatu. Dalam keadaan kolektif mereka lebih baik dalam mendeteksi bahan kimia, menemukan makanan, dan bahkan dapat membentuk batang yang menghasilkan spora.
Cetakan lendir adalah makhluk yang luar biasa, dan para ilmuwan telah dibuat bingung dan tergelitik oleh kemampuan makhluk itu untuk "menciptakan jaringan distribusi yang optimal dan memecahkan masalah organisasi spasial yang sulit secara komputasi," seperti siaran pers mengatakan. Pada tahun 2018, para ilmuwan Jepang melaporkan bahwa cetakan lendir mampu mereplikasi tata letak sistem kereta api Tokyo.
Oskar Elek adalah seorang peneliti postdoctoral di media komputasi di U of C, Santa Cruz. Dia menyarankan untuk memimpin penulis Joseph Burchett bahwa cetakan lendir mungkin dapat meniru distribusi materi kosmik dan menyediakan cara memvisualisasikannya.
Burchett awalnya skeptis.
"Itu semacam momen Eureka, dan aku menjadi yakin bahwa model cetakan lendir adalah jalan ke depan bagi kita."
Joseph Burchett, pemimpin Penulis. U dari C, Santa Cruz.
Menggambar pada inspirasi 2-D dari dunia seni, Elek dan programmer lain menciptakan algoritma 3-D perilaku cetakan lendir yang mereka sebut Monte Carlo Physarum Machine. Physarum adalah model organisme yang digunakan dalam semua jenis penelitian.
Burchett memutuskan untuk memberikan data Elek dari Sloan Digital Sky Survey yang berisi 37.000 galaksi dan distribusinya di ruang angkasa. Ketika mereka menjalankan algoritma slime mould, hasilnya adalah "representasi yang cukup meyakinkan dari web kosmik."
"Itu semacam momen Eureka, dan saya menjadi yakin bahwa model cetakan lendir adalah jalan ke depan bagi kami," kata Burchett. “Agak kebetulan bahwa ini bekerja, tetapi tidak sepenuhnya. Cetakan lendir menciptakan jaringan transportasi yang dioptimalkan, menemukan jalur paling efisien untuk menghubungkan sumber makanan. Dalam web kosmik, pertumbuhan struktur menghasilkan jaringan yang juga, dalam arti tertentu, optimal. Proses yang mendasarinya berbeda, tetapi mereka menghasilkan struktur matematika yang analog. ”
Tetapi meskipun itu menarik, cetakan lendir hanyalah representasi visual dari struktur skala besar. Tim tidak berhenti di situ. Mereka memperbaiki algoritma dan melakukan tes tambahan untuk mencoba memvalidasi model mereka.
Di sinilah Dark Matter memasuki cerita. Di satu sisi, struktur skala besar Alam Semesta adalah distribusi skala besar Dark Matter. Galaksi terbentuk dalam lingkaran cahaya besar Dark Matter, dengan struktur filament panjang yang menghubungkannya. Dark Matter terdiri dari sekitar 85% dari materi di Semesta, dan tarikan gravitasi dari semua itu Dark Matter membentuk distribusi materi "biasa".
Tim peneliti mendapatkan katalog lingkaran gelap materi dari simulasi ilmiah lain. Kemudian mereka menjalankan algoritma berbasis lendir-cetakan mereka dengan data itu, untuk melihat apakah itu bisa mereplikasi jaringan filamen yang menghubungkan semua lingkaran cahaya itu. Hasilnya adalah korelasi yang sangat erat dengan simulasi asli.
"Dimulai dengan 450.000 lingkaran gelap, kita bisa mendapatkan kesesuaian yang hampir sempurna dengan bidang kepadatan dalam simulasi kosmologis," kata Elek dalam siaran pers.
Algoritma slime mould mereplikasi jaringan filamental, dan para peneliti menggunakan hasil tersebut untuk menyempurnakan algoritma mereka.
Pada saat itu, tim memiliki prediksi struktur struktur skala besar dan jaringan kosmik yang menghubungkan semuanya. Langkah selanjutnya adalah membandingkannya dengan set data pengamatan yang berbeda. Untuk ini, mereka pergi ke Teleskop Luar Angkasa Hubble. Cosmic Origins Spectrograph (COS) teleskop itu mempelajari struktur berskala besar dari Semesta melalui spektroskopi gas intergalaksi. Gas itu tidak memancarkan cahaya sendiri, jadi spektroskopi adalah kuncinya. Daripada fokus pada gas itu sendiri, COS mempelajari cahaya dari quasar yang jauh ketika melewati gas, dan bagaimana gas intergalaksi mempengaruhi cahaya itu.
"Kami tahu di mana filamen-filamen jaring kosmik seharusnya berkat cetakan lendir, sehingga kami bisa pergi ke spektrum Hubble yang diarsipkan untuk quasar yang menyelidiki ruang itu dan mencari tanda tangan gas," Burchett menjelaskan. "Di mana pun kami melihat filamen dalam model kami, spektrum Hubble menunjukkan sinyal gas, dan sinyal semakin kuat ke tengah filamen di mana gas harus lebih padat."
Itu panggilan untuk Eureka lain.
"Untuk pertama kalinya sekarang, kita dapat mengukur kepadatan media intergalaksi dari pinggiran filamen web kosmik yang jauh ke interior cluster galaksi yang panas dan padat," kata Burchett. "Hasil ini tidak hanya mengkonfirmasi struktur web kosmik yang diprediksi oleh model-model kosmologis, mereka juga memberi kita cara untuk meningkatkan pemahaman kita tentang evolusi galaksi dengan menghubungkannya dengan reservoir gas dari mana galaksi terbentuk."
Studi ini menunjukkan apa yang dapat dicapai ketika peneliti yang berbeda keluar dari silo mereka dan bekerja sama melalui berbagai disiplin ilmu. Kosmologi, astronomi, pemrograman komputer, biologi, dan bahkan seni, semuanya berkontribusi pada hasil yang paling menarik ini.
"Saya pikir akan ada peluang nyata ketika Anda mengintegrasikan seni ke dalam penelitian ilmiah," kata rekan penulis Angus Forbes dari laboratorium Creative Coding UCSC. “Pendekatan kreatif untuk memodelkan dan memvisualisasikan data dapat mengarah pada perspektif baru yang membantu kita memahami sistem yang kompleks.”
Lebih:
- Siaran Pers: Para astronom menggunakan model cetakan lendir untuk mengungkap benang-benang gelap dari web kosmik
- Makalah Penelitian: Mengungkap Thread Kelam dari Web Cosmic
- Majalah Luar Angkasa: Peta 3-D Baru Menunjukkan Struktur Skala Besar di Semesta 9 Miliar Tahun Lalu
