“黏菌”帮助天文学家绘制宇宙暗物质图

一种没有大脑、单细胞的生物，以其寻找食物的本领，正在帮助天文学家研究宇宙中最大、最神秘的结构——宇宙网。不过，首先，事情可能会变得有点黏糊糊的。

宇宙网是一个由暗物质和气体组成的巨大互联长丝网络，构成了整个宇宙的骨架。这些长丝可以延伸数亿光年，连接着星系、星系团，甚至星系超星系团。然而，由于宇宙网极其微弱——其中的暗物质不与光相互作用——因此对其进行绘制极其困难。

为了应对这一挑战，加州大学圣克鲁兹分校的研究人员仔细筛选了超过 37,000 个星系的存档数据，然后绘制了它们在天空中的位置。接着，他们使用一种复杂的算法来绘制这些星系之间看不见的 the filaments of gas and dark matter（气体和暗物质的长丝），以确定它们是如何相互作用的，以及宇宙网如何影响这些星系中的恒星形成。

但这并非普通的算法。相反，研究人员使用了一个受黏菌启发的模型——特别是Physarum polycephalum（多头绒泡菌）这个物种。

该算法模仿了黏菌的觅食行为，黏菌会派出侦察性的触手来寻找附近的食物。如果特定的菌丝找到食物，它就会茁壮成长，在食物和菌落的其余部分之间建立起牢固的连接。

因此，通过将单个星系替换为基于黏菌算法的“食物”，研究人员能够生成一个三维地图，指示出连接星系的宇宙网长丝是如何交织在一起的。

顺带一提，星系之间的气体也充当着一种“宇宙食物”，为恒星的形成提供燃料。一旦了解了宇宙网长丝如何与星系相连，你就可以大概猜测出星系形成恒星的速度——或者说不形成的速度。这种预测取决于星系是否与宇宙网相连，以及它与其他星系的连接有多紧密。如果连接太紧密，它就会面临恒星形成机会枯竭的风险；如果连接太松散，它就无法获得足够的燃料。

从黏菌到太空

使用基于黏菌的算法绘制宇宙网的想法来自于共同作者 Oskar Elek，他是加州大学圣克鲁兹分校计算媒体领域的博士后。他之前曾见过黏菌算法的研究，因此他敦促加州大学圣克鲁兹分校的天文学家、新论文的首席作者 Joe Burchett 将其应用于他关于宇宙网的工作，因为宇宙网的结构仍然难以捉摸。

“他实际上把数据用这个最终算法拟合后的截图发给了我，”Burchett 说。“我看到的是宇宙网重建的痕迹，它比（之前的模型）更能打动我直观上认为宇宙网应该是什么样子的感觉。”

这并非科学家首次使用黏菌来绘制各种结构。黏菌是优秀的纤维构建者，它们构建复杂的地下网络，帮助它们搜寻食物和资源。这些单细胞生物作为一个大型菌落协同工作，其直径可达 1 英尺。而且，奇怪的是，它们的纤维结构显示出解决问题的倾向。

黏菌擅长解决“最短路径”问题，例如找到穿过迷宫的最佳路径来定位隐藏其中的食物。这曾被称为“黏菌计算”，甚至被比作一种粗略的智能——尽管这显然带来了一系列棘手的问题。

“对于黏菌来说，世界是两个场的结合：吸引物的梯度（它想要的东西）和驱逐物的梯度（它要避免的东西），”英国西部大学非常规计算教授 Andrew Adamatzky 在一封电子邮件中写道。“黏菌只是沿着梯度行进。这就是它如何计算出最短路径，例如。”

通过追踪黏菌算法如何连接不同的星系，研究人员知道在存档观测中要去哪里寻找宇宙网的纤维。“在我们的模型中，只要我们看到一条长丝，”Burchett 在一份声明中说道，“哈勃光谱就显示出气体信号，并且信号在长丝中部会更强，那里的气体应该更密集。”这意味着研究人员不仅利用该算法有效地精确定位了宇宙网纤维应该存在的地方，而且还真的找到了它们。

“现在，我们第一次可以量化从宇宙网长丝的遥远外围到星系团炙热、致密内部的星系际介质的密度，”Burchett 说。“这些结果不仅证实了宇宙学模型预测的宇宙网结构，还为我们提供了一种改进我们对星系演化理解的方法，通过将其与星系形成的 the gas reservoirs（气体储层）联系起来。”

这项新研究于 3 月 10 日发表在 The Astrophysical Journal Letters（天体物理学报快报）上。