Живая слизь смоделировала Вселенную

Фото: Burchett et al., ApJL, 2020

Международная группа ученых из США, Чили и Японии смоделировала крупномасштабную структуру Вселенной с помощью алгоритма, имитирующего рост живого организма — слизевика Physarum polycephalum. Статья исследователей опубликована в The Astrophysical Journal Letters.

Ученые воспроизвели космическую паутину — совокупность нитей из темной материи в межгалактическом пространстве, которые формируют гигантскую сеть, опутывающую Вселенную. Эта структура, пронизанная газом низкой плотности, предсказана космологическими моделями, а ее существование отчасти подтверждается распределением галактик и статистикой поглощения света квазаров межгалактической средой. В то же время яркие галактики и квазары, за которыми велись наблюдения, составляют лишь 10 процентов обычной материи, поэтому из результатов наблюдений тяжело вывести трехмерную структуру космической паутины.

Чтобы создать правдоподобную модель, исследователи воспользовались новым методом, основанным на росте физарума — эукариотического организма, который на определенном этапе развития представляет собой слизистую массу (плазмодий) в виде большой многоядерной клетки. В 2010 году другая группа ученых с помощью агентного моделирования разработала алгоритм, имитирующий рост и развитие Physarum polycephalum. Алгоритм позволяет решить ряд задач, в том числе задачу коммивояжера, поиск выхода из лабиринта и создание оптимальных транспортных сетей.

Модель позволяет построить оптимальную транспортную сеть с помощью роя дискретных агентов (обособленных участков цитоплазмы в случае слизевика) и «аттрактанта» (аналога питательного вещества). Агенты двигаются по путям, которые определяются наличием аттрактанта, и «выделяют» собственные аттрактанты, привлекающие других агентов. В новой работе специалисты адаптировали модель для трех измерений и внесли ряд модификаций. Например, агенты оказались способны проложить невыгодные маршруты к участкам с небольшим количеством аттрактанта, но делают это реже.

Исследователи применили модель к 37 662 наблюдаемым галактикам, которые играли роль аттрактанта для виртуальных агентов. Между космическими объектами возникла оптимальная «транспортная сеть», отражающая распределение невидимого вещества во Вселенной. Ученые подчеркивают, что траектории отличаются от реального положения галактик в нитях, но результаты позволяют понять общую структуру и связь между галактиками и межгалактической средой.