超震撼：整個「宇宙網」的宇宙模擬！並首次確定星系之間的空間

2020-10-18 博科園

文章來自：博科園官網

加州大學聖克魯斯分校的天文學家和計算機科學家團隊，受到亮黃色黏菌生長模式的啟發，採用了一種計算方法，可以追蹤連接整個宇宙星系的宇宙網細絲。其研究成果發表在《天體物理學》期刊上，首次確定了星系之間空間中的擴散氣體，與宇宙學理論預測的宇宙網大尺度結構之間的聯繫。根據主流理論，隨著宇宙在宇宙大爆炸後的演化，物質分布在由巨大空洞隔開的相互連接細絲組成的網狀網絡中。

充滿恆星和行星的發光星系，形成於物質最集中的宇宙網細絲的交叉點和最密集區域。延伸在兩個星系之間的擴散氫氣細絲基本上是看不見的，儘管天文學家已經設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，這種黴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，頭絨泡菌具有創造最佳分配網絡和解決計算困難的空間組織問題的能力，這讓科學家們感到驚訝的歷史由來已久。在一個著名的實驗中，一種黏菌複製了日本鐵路系統的布局，將代表東京周圍城市的食物來源連接起來。加州大學聖克魯斯分校天文學和天體物理學博士後研究員喬·伯切特一直在尋找一種大規模可視化宇宙網的方法，但當計算機博士後研究員奧斯卡·埃萊克建議使用基於頭絨泡菌的算法時，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於2010年開發）開始，Elek和他的朋友（程式設計師Jan Ivanecky)）將其擴展到三維，並進行了額外的修改，創建了一種新算法，他們稱之為蒙特卡洛Physarum Machine。伯切特向Elek提供了來自斯隆數字巡天(SDSS)的37000個星系的數據集。

當將新算法應用到數據集上時，結果是一個相當令人信服的宇宙網。研究人員表示：那是一種尤裡卡時刻，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，但並不完全如此。黏菌創造了一個優化的運輸網絡，找到了連接食物來源的最有效路徑。在宇宙網絡中，結構的增長產生了某種意義上也是最優的網絡，潛在的過程不同，但它們產生的數學結構相似，這個模型與最初的靈感相比有幾層抽象。

當然，模型結果與預期宇宙網結構有很強的視覺相似性並不能證明什麼，研究人員在繼續完善該模型的同時，進行了各種測試來驗證該模型。到目前為止，對宇宙結構演化的計算機模擬，已經出現了對宇宙網的最佳表示，顯示了暗物質在大範圍內的分布，包括形成星系的大量暗物質光暈和連接它們的細絲。暗物質是看不見的，但它約佔宇宙中物質的75%，引力使普通物質遵循暗物質的分布。

伯切特團隊使用來自Bolshoi-Planck宇宙學模擬的數據，這是由加州大學聖克魯斯分校物理學榮休教授喬爾·普裡馬克等人開發來測試蒙特卡洛絨毛膜機的。在從模擬中提取出暗物質光暈的目錄後，運行算法來重建連接它們的絲狀網。當將算法的結果與最初模擬結果進行比較時，發現了緊密的相關性。黏菌模型基本上複製了暗物質模擬中的絲狀網，而研究人員能夠使用模擬來微調模型參數。

從45萬個暗物質暈開始，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測的星際介質氣體密度進行了比較。星系中的恆星形成活動應該與其星系環境的密度相關，看到預期的相關性，研究人員鬆了一口氣。現在，研究小組有了一個連接37000個SDSS星系的宇宙網預測結構，還可以用天文觀測來測試這個結構。為此，使用了來自哈勃太空望遠鏡的宇宙起源光譜儀數據。

星際氣體在通過它的光線光譜中留下了獨特吸收信號，數百個遙遠類星體的光穿過了SDSS星系佔據的空間體積。多虧了黏菌，讓我們知道宇宙網的細絲應該在哪裡，可以去哈勃光譜存檔，尋找探測那個空間的類星體，尋找氣體的特徵。在我模型中，無論我們在哪裡看到細絲，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，那裡的氣體應該更稠密，然而，在最密集的地區，信號減弱了。

這也符合預期，因為這些區域的氣體加熱會電離氫氣，剝離電子，消除吸收信號。現在，科學家第一次可以量化星際介質的密度，從宇宙網細絲遙遠外圍到星系團的炎熱、密集內部的星際介質密度。這些結果不僅證實了宇宙學模型預測的宇宙網結構，而且通過將其與形成星系的氣庫聯繫起來，也給了我們一種提高對星系演化理解的方法。而這種創造性的技術及其意想不到的成功，突顯了跨學科合作的價值，在科學問題上帶來了完全不同的視角和專業知識。

博科園｜研究/來自：加州大學聖克魯斯分校

參考期刊《天體物理學》

DOI: 10.3847/2041-8213/ab700c

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