Что может рассказать о крупномасштабной структуре Вселенной и эволюции галактик слизевик? Эти вещи могут показаться несовместимыми, однако и то, и другое — часть природы, и при этом земные слизевые формы, похоже, всё же могут кое-что рассказать нам о самой Вселенной. Огромные нити газа, пронизывающие Вселенную, имеют много общего со слизевыми формами и их трубчатыми сетями.
Крупномасштабная структура Вселенной состоит из галактик в группах и скоплениях галактик. Они окружены огромными пустотами, и по этим пустотам проходят газовые нити, связывающие группы, скопления и суперкластеры между собой. Но как влияют эти нити на эволюцию галактик?
Группа исследователей разработала новый способ идентификации этих нитей и создания их каталога. Для идентификации филаментов они использовали симулятор Illustris TNG и симулятор слизистой формы. Получив более полное представление о том, где находятся филаменты, можно начать понимать, какую роль они играют в эволюции галактик.
Свои результаты учёные представили в работе под назван��ем «Нити космической паутины слизевиков и их влияние на эволюцию галактик». Результаты исследования были представлены в журнал The Astrophysical Journal, и в настоящее время статья находится в стадии предпечатной подготовки. Ведущий автор — Фарханул Хасан (Farhanul Hasan) с кафедры астрономии Государственного университета 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 свою жизнедеятельность, распространяя трубки по окружающей среде. Это позволяет им перемещаться по лабиринтам, чтобы добраться до пищи и вернуться в область, где ранее находилась пища. Это удивительно, потому что они делают всё это без мозга. Эти необычные способности делают их ценными для астрофизики.
Одна из основных задач астрофизики — понять, как формируются и эволюционируют галактики. Астрофизики измеряют их массу, отклики активных галактических ядер, взрывы сверхновых и другие процессы, происходящие внутри галактик. Но окружающая среда, в которой находится галактика, также определяет её эволюцию. Какую роль в галактической эволюции играют нити космической паутины, соединяющие галактики?
Этому вопросу и посвящено данное исследование.
«Выявление главного "экологического" показателя галактики — задача, к которой в разных исследованиях подходили по-разному, — поясняют авторы. — Эволюцию галактик можно проанализировать в контексте крупномасштабной структуры Вселенной, известной как "космическая паутина". Эта структура состоит из взаимосвязанной сети филаментов (нитей) — мостов межгалактической материи — и узлов — плотных пересечений филаментов, где распределение космической плотности наиболее велико», — пишут авторы.
Авторы отмечают, что внутри паутины встречаются группы галактик, скопления и суперкластеры, которые довольно легко идентифицировать. Однако отдельные нити идентифицировать гораздо сложнее, даже в таком мощном симуляторе, как Illustris TNG. «Идентификация нитей космической паутины по разреженному распределению галактик, известная как "реконструкция" космической паутины, представляет собой сложную задачу», — говорится в статье.
Это важно, поскольку нити влияют на эволюцию галактик. Различные исследования, посвящённые выявлению филаментов, привели к разным выводам. «Например, — пишут авторы, — в то время как одни исследования говорят о подавлении газо- и звёздообразования вблизи филаментов, другие сообщают об увеличении поступления газа и/или звёздообразования». Таким образом, учёные явно не очень хорошо понимают влияние филаментов на галактики, и это может быть связано с тем, что они неправильно их идентифицируют или не видят их все.
Именно здесь на помощь приходят слизевые формы.
«В нашем подходе для оценки поля космической пл��тности используется новая модель под названием Monte Carlo Physarum Machine (MCPM)», — пишут авторы.
MCPM — это вычислительный инструмент, позволяющий реконструировать сложные транспортные сети. Как видно из названия, в его основе лежит реальный слизевик Physarum polycephalum. Учёные используют P. polycephalum в качестве нетрадиционного «биологического компьютера» для решения задач навигации по лабиринту, проектирования транспортных систем и выполнения множества других задач. «MCPM вдохновлён особенностями питания биологического организма Physarum polycephalum или слизевика, который, как известно, создаёт высокоэффективные взаимосвязанные сети при поиске пищи», — поясняют авторы.
Наиболее известное применение MCPM было получено инженерами при воспроизведении системы токийского метро. Они разложили овсяные хлопья по схеме, соответствующей городам, окружающим Токио, а слизевик построил питательные каналы, соединяющие овсяные хлопья по схеме, очень похожей на существующую систему метро.
В данном исследовании на месте овсяных хлопьев оказались галактики и скопления. «Наш подход значительно улучшил схему идентификации нитей…, используемую в других реконструкциях космической паутины», — пиш��т авторы. Исследователи обратили внимание на то, какое влияние оказывает космическая сеть как на гашение газа, так и на его поступление в галактики.
Существует ещё один метод выявления нитей, который учёные используют для реконструкции космической паутины, и называется он Delaunay Tessellation Field Estimator (DTFE). В рамках своего исследования авторы сравнили эффективность DTFE с методом, основанным на физаре MCPM. «Изменения в идентифицированной нитевидной структуре между двумя вариантами плотностно-полевых оценок весьма значительны», — утверждают авторы.
В результате DTFE «... успешно соединяет только более массивные галактики», — говорится в исследовании. MCPM не только соединил большее число галактик, но и выявил гораздо больше нитей и точно проследил распределение тёмной материи. Кроме того, нити MCPM имеют более естественную форму, с большим количеством изогнутых линий и меньшим количеством резких поворотов.
Инструмент MCPM дал более уверенные результаты. Однако данная работа — это не просто оценка инструмента. Цель работы — изучить, как филаменты влияют на эволюцию галактик. «Здесь мы изучаем, как филаменты космической паутины, основанные на поле плотности MCPM, влияют на активность галактического звёздообразования и долю газа», — говорится в статье.
Полученные результаты демонстрируют поразительную разницу между темпами звёздообразования в поле DTFE и поле MCPM. Согласно результатам DTFE, галактики гаснут по мере приближения к филаментам для всех звёздных масс на низких красных смещениях. Но в поле MCPM «...расстояние до филаментов, по-видимому, практически не влияет на звёздообразование галактик высокой, промежуточной и низкой массы», — поясняют авторы.
Это ещё не всё. Поскольку поле MCPM лучше выявляет менее заметные филаменты по сравнению с DTFE, результаты исследования слизистой формы MCPM показали, что практически все галактики живут вблизи филамента. Это противоречит предыдущим результатам DTFE, полученным в других исследованиях. «Большинство галактик находится на расстоянии примерно ~ 1,5-2,5 Мпк от позвоночника нити MCPM», - пишут авторы.
Слизистым формам явно есть чему научить нас во Вселенной, в которой мы живём. Более глубокие результаты этого исследования показывают, что звёздообразование находилось на одинаковом уровне как вблизи, так и вдали от филаментов MCPM в ранние эпохи z~2. «Это служит доказательством того, что филаменты в ранние эпохи могут эффективно поставлять газ в галактики, что позволяет им быстро расти», — резюмируют авторы. Этот результат согласуется с недавними результатами, полученными с помощью Уэбба, которые показывают, что в ранней Вселенной существовали массивные галактики.
Однако на более поздних этапах развития Вселенной ситуация меняется. Моделирование показывает, что более толстые филаменты фактически снижают скорость звёздообразования, уменьшая поступление газа в галактики в течение последних 10 млрд лет.
Понимание того, как растут и эволюционируют галактики, является одной из основных задач астрофизики. Данное исследование, проведённое с помощью слизистых форм, проливает свет на то, как всё это происходит. Но будущее может быть ещё более захватывающим, когда речь идёт о слизистых формах и астрофизике.
«Возможно, ещё более захватывающим является то, что наш новый метод может быть применён к наборам данных наблюдений для определения структуры космической паутины в реальной Вселенной, — пишут Хасан и его коллеги. — В ближайшее время мы получим ещё больше данных от таких телескопов, как JWST, "Евклид", "Римский космический телескоп" и других».
Исследователи могут положиться на одну из самых непритязательных форм жизни в природе, которая поможет разобраться во всех этих грядущих данных.
