加州大學(xué)圣克魯斯分校的天文學(xué)家和計算機科學(xué)家團隊，受到亮黃色黏菌生長模式的啟發(fā)，采用了一種計算方法，可以追蹤連接整個宇宙星系的宇宙網(wǎng)細絲。其研究成果發(fā)表在《天體物理學(xué)》期刊上，首次確定了星系之間空間中的擴散氣體，與宇宙學(xué)理論預(yù)測的宇宙網(wǎng)大尺度結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系。

根據(jù)主流理論，隨著宇宙在宇宙大爆炸后的演化，物質(zhì)分布在由巨大空洞隔開的相互連接細絲組成的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中。

充滿恒星和行星的發(fā)光星系，形成于物質(zhì)最集中的宇宙網(wǎng)細絲的交叉點和最密集區(qū)域。延伸在兩個星系之間的擴散氫氣細絲基本上是看不見的，盡管天文學(xué)家已經(jīng)設(shè)法瞥見了其中一部分。所有這些似乎都與一種名為多頭絨泡菌(Physarum Polycephalum)的低等黏菌相似，這種霉菌通常生長在森林地面上腐爛的原木和落葉上，有時會在草坪上形成海綿狀的黃色團塊。

但是，頭絨泡菌具有創(chuàng)造最佳分配網(wǎng)絡(luò)和解決計算困難的空間組織問題的能力，這讓科學(xué)家們感到驚訝的歷史由來已久。在一個著名的實驗中，一種黏菌復(fù)制了日本鐵路系統(tǒng)的布局，將代表東京周圍城市的食物來源連接起來。加州大學(xué)圣克魯斯分校天文學(xué)和天體物理學(xué)博士后研究員喬·伯切特一直在尋找一種大規(guī)?？梢暬钪婢W(wǎng)的方法，但當計算機博士后研究員奧斯卡·埃萊克建議使用基于頭絨泡菌的算法時，他對此表示懷疑。

畢竟，完全不同的力量塑造了宇宙網(wǎng)和黏菌的生長。但一直對大自然圖案著迷的埃萊克，對柏林藝術(shù)家薩奇·詹森(Sage Jenson)的絨泡菌“生物軟化”印象深刻。從Jenson使用二維頭絨泡菌模型（最初由Jeff Jones于2010年開發(fā)）開始，Elek和他的朋友（程序員Jan Ivanecky)）將其擴展到三維，并進行了額外的修改，創(chuàng)建了一種新算法，他們稱之為蒙特卡洛Physarum Machine。伯切特向Elek提供了來自斯隆數(shù)字巡天(SDSS)的37000個星系的數(shù)據(jù)集。

當將新算法應(yīng)用到數(shù)據(jù)集上時，結(jié)果是一個相當令人信服的宇宙網(wǎng)。研究人員表示：那是一種尤里卡時刻，開始相信黏菌模型是我們前進的方向，這在某種程度上是巧合的，但并不完全如此。黏菌創(chuàng)造了一個優(yōu)化的運輸網(wǎng)絡(luò)，找到了連接食物來源的最有效路徑。在宇宙網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)構(gòu)的增長產(chǎn)生了某種意義上也是最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)，潛在的過程不同，但它們產(chǎn)生的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)相似，這個模型與最初的靈感相比有幾層抽象。

當然，模型結(jié)果與預(yù)期宇宙網(wǎng)結(jié)構(gòu)有很強的視覺相似性并不能證明什么，研究人員在繼續(xù)完善該模型的同時，進行了各種測試來驗證該模型。到目前為止，對宇宙結(jié)構(gòu)演化的計算機模擬，已經(jīng)出現(xiàn)了對宇宙網(wǎng)的最佳表示，顯示了暗物質(zhì)在大范圍內(nèi)的分布，包括形成星系的大量暗物質(zhì)光暈和連接它們的細絲。暗物質(zhì)是看不見的，但它約占宇宙中物質(zhì)的75%，引力使普通物質(zhì)遵循暗物質(zhì)的分布。

伯切特團隊使用來自Bolshoi-Planck宇宙學(xué)模擬的數(shù)據(jù)，這是由加州大學(xué)圣克魯斯分校物理學(xué)榮休教授喬爾·普里馬克等人開發(fā)來測試蒙特卡洛絨毛膜機的。在從模擬中提取出暗物質(zhì)光暈的目錄后，運行算法來重建連接它們的絲狀網(wǎng)。當將算法的結(jié)果與最初模擬結(jié)果進行比較時，發(fā)現(xiàn)了緊密的相關(guān)性。黏菌模型基本上復(fù)制了暗物質(zhì)模擬中的絲狀網(wǎng)，而研究人員能夠使用模擬來微調(diào)模型參數(shù)。

從45萬個暗物質(zhì)暈開始，可以幾乎完美地匹配宇宙模擬中的密度場。還將觀測到的SDSS星系屬性與粘菌模型預(yù)測的星際介質(zhì)氣體密度進行了比較。星系中的恒星形成活動應(yīng)該與其星系環(huán)境的密度相關(guān)，看到預(yù)期的相關(guān)性，研究人員松了一口氣?，F(xiàn)在，研究小組有了一個連接37000個SDSS星系的宇宙網(wǎng)預(yù)測結(jié)構(gòu)，還可以用天文觀測來測試這個結(jié)構(gòu)。為此，使用了來自哈勃太空望遠鏡的宇宙起源光譜儀數(shù)據(jù)。

星際氣體在通過它的光線光譜中留下了獨特吸收信號，數(shù)百個遙遠類星體的光穿過了SDSS星系占據(jù)的空間體積。多虧了黏菌，讓我們知道宇宙網(wǎng)的細絲應(yīng)該在哪里，可以去哈勃光譜存檔，尋找探測那個空間的類星體，尋找氣體的特征。在我模型中，無論我們在哪里看到細絲，哈勃光譜都會顯示一個氣體信號，而且信號朝著燈絲中間的方向變得更強，那里的氣體應(yīng)該更稠密，然而，在最密集的地區(qū)，信號減弱了。

這也符合預(yù)期，因為這些區(qū)域的氣體加熱會電離氫氣，剝離電子，消除吸收信號?，F(xiàn)在，科學(xué)家第一次可以量化星際介質(zhì)的密度，從宇宙網(wǎng)細絲遙遠外圍到星系團的炎熱、密集內(nèi)部的星際介質(zhì)密度。這些結(jié)果不僅證實了宇宙學(xué)模型預(yù)測的宇宙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，而且通過將其與形成星系的氣庫聯(lián)系起來，也給了我們一種提高對星系演化理解的方法。而這種創(chuàng)造性的技術(shù)及其意想不到的成功，突顯了跨學(xué)科合作的價值，在科學(xué)問題上帶來了完全不同的視角和專業(yè)知識。

博科園｜研究/來自：加州大學(xué)圣克魯斯分校

參考期刊《天體物理學(xué)》

DOI: 10.3847/2041-8213/ab700c

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