超震撼：整个“宇宙网”的宇宙模拟！并首次确定星系之间的空间

加州大学圣克鲁斯分校的天文学家和计算机科学家团队，受到亮黄色黏菌生长模式的启发，采用了一种计算方法，可以追踪连接整个宇宙星系的宇宙网细丝。其研究成果发表在《天体物理学》期刊上，首次确定了星系之间空间中的扩散气体，与宇宙学理论预测的宇宙网大尺度结构之间的联系。根据主流理论，随着宇宙在宇宙大爆炸后的演化，物质分布在由巨大空洞隔开的相互连接细丝组成的网状网络中。

充满恒星和行星的发光星系，形成于物质最集中的宇宙网细丝的交叉点和最密集区域。延伸在两个星系之间的扩散氢气细丝基本上是看不见的，尽管天文学家已经设法瞥见了其中一部分。所有这些似乎都与一种名为多头绒泡菌(Physarum Polycephalum)的低等黏菌相似，这种霉菌通常生长在森林地面上腐烂的原木和落叶上，有时会在草坪上形成海绵状的黄色团块。

但是，头绒泡菌具有创造最佳分配网络和解决计算困难的空间组织问题的能力，这让科学家们感到惊讶的历史由来已久。在一个著名的实验中，一种黏菌复制了日本铁路系统的布局，将代表东京周围城市的食物来源连接起来。加州大学圣克鲁斯分校天文学和天体物理学博士后研究员乔·伯切特一直在寻找一种大规模可视化宇宙网的方法，但当计算机博士后研究员奥斯卡·埃莱克建议使用基于头绒泡菌的算法时，他对此表示怀疑。

毕竟，完全不同的力量塑造了宇宙网和黏菌的生长。但一直对大自然图案着迷的埃莱克，对柏林艺术家萨奇·詹森(Sage Jenson)的绒泡菌“生物软化”印象深刻。从Jenson使用二维头绒泡菌模型（最初由Jeff Jones于2010年开发）开始，Elek和他的朋友（程序员Jan Ivanecky)）将其扩展到三维，并进行了额外的修改，创建了一种新算法，他们称之为蒙特卡洛Physarum Machine。伯切特向Elek提供了来自斯隆数字巡天(SDSS)的37000个星系的数据集。

当将新算法应用到数据集上时，结果是一个相当令人信服的宇宙网。研究人员表示：那是一种尤里卡时刻，开始相信黏菌模型是我们前进的方向，这在某种程度上是巧合的，但并不完全如此。黏菌创造了一个优化的运输网络，找到了连接食物来源的最有效路径。在宇宙网络中，结构的增长产生了某种意义上也是最优的网络，潜在的过程不同，但它们产生的数学结构相似，这个模型与最初的灵感相比有几层抽象。

当然，模型结果与预期宇宙网结构有很强的视觉相似性并不能证明什么，研究人员在继续完善该模型的同时，进行了各种测试来验证该模型。到目前为止，对宇宙结构演化的计算机模拟，已经出现了对宇宙网的最佳表示，显示了暗物质在大范围内的分布，包括形成星系的大量暗物质光晕和连接它们的细丝。暗物质是看不见的，但它约占宇宙中物质的75%，引力使普通物质遵循暗物质的分布。

伯切特团队使用来自Bolshoi-Planck宇宙学模拟的数据，这是由加州大学圣克鲁斯分校物理学荣休教授乔尔·普里马克等人开发来测试蒙特卡洛绒毛膜机的。在从模拟中提取出暗物质光晕的目录后，运行算法来重建连接它们的丝状网。当将算法的结果与最初模拟结果进行比较时，发现了紧密的相关性。黏菌模型基本上复制了暗物质模拟中的丝状网，而研究人员能够使用模拟来微调模型参数。

从45万个暗物质晕开始，可以几乎完美地匹配宇宙模拟中的密度场。还将观测到的SDSS星系属性与粘菌模型预测的星际介质气体密度进行了比较。星系中的恒星形成活动应该与其星系环境的密度相关，看到预期的相关性，研究人员松了一口气。现在，研究小组有了一个连接37000个SDSS星系的宇宙网预测结构，还可以用天文观测来测试这个结构。为此，使用了来自哈勃太空望远镜的宇宙起源光谱仪数据。

星际气体在通过它的光线光谱中留下了独特吸收信号，数百个遥远类星体的光穿过了SDSS星系占据的空间体积。多亏了黏菌，让我们知道宇宙网的细丝应该在哪里，可以去哈勃光谱存档，寻找探测那个空间的类星体，寻找气体的特征。在我模型中，无论我们在哪里看到细丝，哈勃光谱都会显示一个气体信号，而且信号朝着灯丝中间的方向变得更强，那里的气体应该更稠密，然而，在最密集的地区，信号减弱了。

这也符合预期，因为这些区域的气体加热会电离氢气，剥离电子，消除吸收信号。现在，科学家第一次可以量化星际介质的密度，从宇宙网细丝遥远外围到星系团的炎热、密集内部的星际介质密度。这些结果不仅证实了宇宙学模型预测的宇宙网结构，而且通过将其与形成星系的气库联系起来，也给了我们一种提高对星系演化理解的方法。而这种创造性的技术及其意想不到的成功，突显了跨学科合作的价值，在科学问题上带来了完全不同的视角和专业知识。