太神奇！「黏菌算法」繪製「宇宙蛛網」

2020-08-09 文匯網

浩瀚宇宙中存在約千億個星系。星系內部是恆星、行星與塵埃；星系之間則由暗物質織成的「宇宙蛛網」互聯互通。暗物質是什麼？由於未能直接觀測，科學界始終捉摸不透這隻無形的大手。

然而，《天體物理學期刊通訊》的一項最新研究表明，若對地球上的單細胞生物——黏菌,抽絲剝繭，層層深入，也許能在微觀世界中揭示宇宙奧秘。

數百萬黏菌常組成黏菌群，通過一個結構複雜的纖維狀網絡集體移動，共同攝食。科學家們從這張聯結不同位置的蛛網入手，用算法模擬黏菌的行為，進而繪製出三維的宇宙星河網絡。

項目負責人、美國加州大學聖克魯斯分校研究員約瑟夫·伯切特表示，從最簡單生命體的行為表現裡，竟然可以發現宇宙中最大結構的規律，簡直太神奇了！

黏菌與宇宙

雖然外形酷似科幻恐怖片裡的常見背景，但黏菌實際上完全無害。

黏菌以每小時1毫米的超慢速度爬行，四處尋覓枯死的植物，並以此為食。雖然它們只是單細胞生物，但「菌不可貌相」——黏菌具備超高智能，能夠在短時間內規劃出複雜的最優覓食路徑。

科學家們正是看中了黏菌的這種能力，並將其運用到天體物理學中。研究人員根據黏菌的行為特點和宇宙中3.7萬個星系的位置設計了一套蛛網算法。

根據現代天文學的預測，宇宙中現存的物質集結成一個巨大的纖維結構網絡，俗稱「宇宙蛛網」。這張網由充斥星系的暗物質和氣體纖維組成，系內恆星即孕育於此。氣體纖維綿延數百萬光年，與超空洞一起填充了「宇宙蛛網」。可以說，氣體纖維狀網絡是宇宙中的最大結構，可能沒有之一。

雖然體態巨大，但「宇宙蛛網」在電磁學意義上不可見（即為「暗網」），且纖維本身極其微弱，形態過於彌散，因此無法檢測發散源頭。

目前，廣域研究表明，星系呈網狀分布，然而這些發光的星系還不到重子物質總量的10%。科學家們對遙遠的類星體進行光譜分析，所得出的星際介質吸收數據能夠支持蛛網理論，但尚無確鑿證據表明彌散的星際介質就是蛛網。

另一方面，宇宙70%的質量由暗物質組成，但它同樣無法用肉眼觀測。因此，「宇宙蛛網」幾乎就是一張無形大網。

然而不可見不等於不存在。研究人員找到了一種全新的研究方法，即根據多頭絨泡黏菌的行為模式推斷「宇宙蛛網」的密度場。研究人員通過運算「黏菌程序」所繪製出的聯結星系的氣體纖維狀網絡結構圖。這不僅是一張形態奇幻的蛛網，更是智慧與效率的結晶。

讓「暗網」見光

研究人員以附近宇宙的星系和吸收譜線為研究對象，證明了大部分星際介質確實存在於「宇宙蛛網」內。

他們在蛛網纖維外沿（約等於宇宙平均物質密度且距離附近星系約5位力半徑）發現中性氫吸收標誌隨密度增高而增強，至環星系介質處的密度已達平均密度的200倍。然而，吸收性卻在密度最高的區域受到限制，這也許是纖維結構深處的激波加熱與離子化作用，也可能是星系內的反饋機制。

研究人員並未就此止步，他們還分析了350個類星體發出的紫外線。

類星體是宇宙中體積超大、亮度超高的活動星系核。它們像信號燈一般在「宇宙蛛網」的正面閃閃發光。

伯切特說，「黏菌模型與人類的直覺一拍即合。我們早就知道這個結構是存在的，而現在計算機用算法幫我們找到了。對於我們研究的問題而言，這是目前最合適的方法。」

此前，科學界對暗物質的研究已經取得些許進展。美國國家航空航天局預計將在2025年前後建成WFIRST天文望遠鏡，利用微引力透鏡效應，通過觀測一個毗鄰銀河系的星系來強化對於宇宙深處的認識。屆時，人類將首次直接觀測暗物質。

作者：阿萊 編譯

編輯：王星

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