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宇宙正在展现与“生物”相似的一面

2020-03-17  网摘文苑

宇宙中的物质分布在大尺度上呈现出一种“蛛网”般的结构。最近一些科学家发现,这种结构竟然与地球上的一种生物十分相似,而且这种相似还并不仅仅停留在形态上……

宇宙正在展现与“生物”相似的一面

宇宙大尺度结构模拟。Illustris

宇宙中物质的分布不是均匀的。它们主要以相互连接的超星系团和物质纤维形态存在,除此以外就是浩瀚的虚空。

位于宇宙结构金字塔顶端的是超星系团,往下则是星系团和星系群、单一星系,以及太阳系。这个等级森严的结构被科学家称为“宇宙蛛网”。

没有人知道“宇宙蛛网”究竟是怎么来的。人们只能通过不断地建模,模拟这种结构的演化。

最近加州大学的天文学家和计算学家进行了一次有趣的尝试,结果在一种神奇的生物和宇宙结构间找到了许多共同点。

这种生物就是黏菌。

宇宙正在展现与“生物”相似的一面

一种学名叫Physarum polycephalum的黏菌正在“寻找”食物。Wikipedia

黏菌是一种介于动物和真菌间的单细胞原生生物,但又常常会聚集在一起,形成一种多细胞结构。食物充足时它们各自为政,食物缺乏时它们会集体行动。在聚集状态下,它们拥有惊人的化学感知能力,能够快速准确地发现食物。它们甚至还能长出“茎”,形成孢子。

黏菌拥有一种非常惊人的能力,科学家认为它们能够建立最理想的分布式网络,解决空间组织上的计算难题。

于是计算机专家Oskar Elek向主持该项研究的天体物理学者Joseph Burchett建言,或许可以利用黏菌,模拟物质在大尺度宇宙空间中的分布,并将其结果可视化地呈现出来。

直到上世纪80年代,人们都以为星系团是宇宙中最大的结构。并认为这样的结构是均匀分布的。但是很快,超星系团被发现了,类星体群被发现了。越来越多的结构和空洞出现在人们的视野中。人们发现超星系团可以通过巨大的纤维互联在一起。只是这种纤维很难被看到,它们是稀薄的氢。

而对于用黏菌模拟宇宙,Burchett起初是不屑的。但是后来却被说服了。

Burchett向Elek提供了“斯隆数字化巡天”的大量数据。这些数据包括了与37000个星系以及它们的空间分布有关的信息。

数据被输入到了一个能够在三维空间模拟黏菌行为方式的算法中。结果令人惊讶。

一个“宇宙蛛网”出现了。

Burchett认为,虽然模拟结果带有一定的偶然性,但也不尽然。黏菌总是试图在前往食物所在地的过程中,找到一条最优通道。“宇宙蛛网”的演化从某种程度上来说也是这样。虽然底层机制不同,但是数学结构却是相似的。

结果令人满意。但是说白了这还只是一种视觉呈现。研究人员于是决定更进一步,改进算法,验证他们更高级的模型。

暗物质登场。

从某种意义上来说,宇宙大尺度结构反映的就是暗物质在大尺度上的分布。星系是在庞大的暗物质晕中形成的,这些暗物质晕通过长长的纤维连接在一起。宇宙暗物质总量占到了宇宙物质总量的85%,事实上是暗物质产生的引力,决定了“常规”物质该出现在哪里。

45万个模拟暗物质晕的数据被输入到了黏菌算法中,然后,一个与“非黏菌”算法模拟结果相同的纤维网络,出现在了人们眼前。

黏菌又成功了。

黏菌除了能够再现宇宙纤维网,还让科学家对观测宇宙大尺度结构有了“未卜先知”的能力。

宇宙正在展现与“生物”相似的一面

哈勃极度深空。NASA / ESA

哈勃太空望远镜能够通过采集星系际气体的光谱数据,对“宇宙蛛网”进行观测。由于星系际气体本身不发光,所以哈勃只能观察遥远类星体发出的光来研究它们。类星体发出的光在穿越星系际空间介质后,光谱中会留下它们的印记。

感谢黏菌,研究人员现在知道该向哪里看了。结果显示,在“黏菌宇宙”中存在纤维结构的地方,哈勃的光谱数据也表明那里存在气体,而且越靠近纤维的“核芯”,气体的密度就越高。

Burchett表示,这是人们首次能够从全局的高度,对星系际介质的密度进行量化研究。研究结果不但确认了宇宙学模型预言中的蛛网结构确实存在,还让我们增进了对星系演化的认识。星系并不是孤立的,它们是互联的一个整体。

黏菌让我们认识到不同领域合作的潜力。宇宙学、天文学、计算机编程技术、生物学,乃至艺术,都可以相互协作,为实现一个共同的目标而努力。创意建模和数据可视化,也能够为人们理解复杂体系提供新的视角。

参考:
Astronomers use slime mold model to reveal dark threads of the cosmic web, https://news.ucsc.edu/2020/03/cosmic-web.html
Revealing the Dark Threads of the Cosmic Web, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab700c

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