天文学家绘制了持有宇宙的暗物质长丝和粘液霉菌的一些帮助

天文学家在尝试追寻难以捉摸的宇宙网（宇宙的大规模主干）方面变得很有创意。研究人员求助于粘液霉菌（slime mould），这是一种在地球上发现的单细胞生物，可帮助他们绘制局部宇宙中丝状图（距地球5亿光年以内），并在其中找到气体。研究人员设计了一种受该生物行为启发的计算机算法，并将其应用于包含斯隆数字天空调查绘制的37,000个星系（粘液霉菌的“食物”）位置的数据中。该算法生成了基本宇宙网复杂的丝状网络（图像中的紫色结构）的三维地图。这三组插入框显示了一些单星系，这些星系被“喂食”到了粘液模具中，并连接了它们的丝状结构。星系由三个插图中的黄点表示。每个星系快照的旁边是星系的图像，上面带有宇宙网的连接线（紫色）。

一个可能在您的草坪上生长的简单单细胞生物正在帮助天文学家探测宇宙中最大的结构。

这些被称为粘液霉菌的生物以死去的植物材料为食，并且具有寻找食物来源的超强能力。尽管没有头脑，但这种有机体在创建有效网络以实现其食物目标方面的“天才”吸引了科学家的注意。研究人员已经在计算机算法中重新创建了粘液霉菌的行为，以帮助解决大规模的工程问题，例如在大城市中找到最有效的交通路线，解决迷宫并确定人群疏散路线。

一个天文学家团队现在已经开始研究粘液霉菌，以帮助他们追踪宇宙的大型丝状网络。这些巨大的蜘蛛网结构是靠重力建造的，称为宇宙网，沿着气体和暗物质微弱的桥梁，将银河系和星系团捆绑在一起，亿万光年长。

为了追踪细丝，研究团队设计了一种基于粘模行为的计算机算法。该小组用37,000个星系的图表位置播种了该算法，并将其运行以生成丝状图。然后，天文学家使用哈勃太空望远镜的档案观测资料来检测和研究在预测位置渗透到网上的微弱气体。

大自然中最卑鄙的一种生物的行为正在帮助天文学家探究宇宙中最大的结构。

这种单细胞生物被称为粘液霉菌（Physarum polycephalum），它建立了复杂的丝状网络来寻找食物，找到了连接不同位置的最佳途径。在塑造宇宙的过程中，引力建立了一个庞大的蜘蛛网结构，这些蜘蛛网沿着数亿光年长的微弱桥梁，将星系和星系团捆绑在一起。这两个网络之间有着不可思议的相似之处：一个是由生物进化产生的，另一个是由原始引力产生的。

宇宙网是宇宙的大规模主干，主要由被称为暗物质的神秘物质组成，并夹杂着气体，在其上建立了星系。看不见暗物质，但它构成了宇宙物质的大部分。1985年在哈佛-史密森天体物理学中心进行的“红移”调查首次暗示了类似网状结构的存在。自从这些研究以来，这种丝状结构的巨大规模在随后的天空勘测中得到了发展。细丝形成了宇宙中大空隙之间的边界。

但是天文学家很难找到这些难以捉摸的链，因为气体太暗了，很难检测到。现在，一组研究人员已转向使用粘液霉菌来帮助他们绘制局部宇宙中的细丝图（距地球5亿光年以内），并在其中寻找气体。

他们设计了一种受粘液行为启发的计算机算法，并针对计算机模拟了宇宙中暗物质长丝的生长进行了测试。计算机算法类似于一种配方，该配方可以准确地告诉计算机要采取什么步骤来解决问题。

然后，研究人员将粘液霉菌算法应用于包含斯隆数字天空调查所绘制的37,000个星系的位置的数据中，该位置对应于3亿光年。该算法生成了基础宇宙网结构的三维地图。

然后，他们分析了哈勃光谱遗产档案库中归类的350个类星体（距离更远，数十亿光年）中的紫外线，该档案库保存着NASA哈勃太空望远镜光谱仪中的数据。这些遥远的宇宙手电筒是活跃星系的明亮黑洞供电核心，它们的光线穿过整个宇宙并通过前景宇宙网发光。研究小组在沿灯丝的特定位置分析了氢气，这些气体印有清晰的吸光特征，从而印在了灯光上。这些目标位置距离银河系很远，这使研究团队可以将气体与宇宙的大规模结构联系起来。

加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的首席研究员约瑟夫·伯切特说：“最令人着迷的是，一种最简单的生命形式实际上使人们能够洞察宇宙中最大的尺度结构。”“通过使用粘液模制模拟来查找宇宙纤维网长丝的位置，包括远离星系的纤维网长丝，然后我们可以使用哈勃太空望远镜的档案数据来检测和确定这些纤维网长芯外围的冷气体密度。看不见的细丝。几十年来，科学家已经发现了这种气体的特征，我们已经证明了这种气体包含宇宙网的理论期望。”

这项调查进一步证实了有关银河系气体的较密区域被组织成细丝的研究，研究小组发现这些细丝距离银河系超过1000万光年。（该距离是银河系直径的100倍以上。）

研究人员在寻找一种可视化宇宙网结构与先前哈勃光谱研究中检测到的冷气体之间的理论联系的方法时，便转向了粘液模子模拟。

然后，加州大学圣克鲁斯分校的计算媒体科学家Oskar Elek的团队成员在网上发现了柏林媒体艺术家Sage Jenson的作品。简森（Jenson）的作品中，令人着迷的是艺术化的视觉效果，显示了粘液模的触手状食物结构的网络的增长。简森的艺术是基于外部科学研究的，该科学研究详细介绍了一种模拟粘液霉菌生长的算法。

研究团队指出，粘液霉菌如何构建复杂的细丝来捕获新食物，以及重力如何塑造宇宙，从而在星系和星系团之间构造出宇宙的网状线之间，具有惊人的相似性。

根据仿真结果，埃莱克（Elek）开发了粘液模具堆积的三维计算机模型，以估算宇宙纤维网丝状结构的位置。

尽管最初使用粘液霉菌模拟来找出宇宙的最大结构可能听起来很奇怪，但科学家们已经使用这些不起眼的微生物的计算机模型，并在实验室的培养皿中培养了它们，以解决诸如发现等复杂问题。大城市中最高效的交通路线，解决迷宫并确定人群疏散路线。Elek说：“对于人类而言，这些是很难解决的问题，更不用说计算机算法了。”

“您几乎可以从斯隆数据中看到，尤其是在本地宇宙的星系图中，细丝应该在哪里，”伯切特解释说。“煤泥模型非常符合这种直觉。计算机算法突然发现了您应该知道的结构。对于我们的研究，没有其他已知方法可以很好地解决此问题。”

研究人员说，在如此庞大的星系调查中，设计一种可靠的算法来发现细丝非常困难。Elek解释说：“因此，看到虚拟粘液模具在短短几分钟内就可以非常接近您了，这真是太令人惊讶了。”“您可以从字面上看它的增长。”只是为了进行比较，在培养皿中培养生物需要几天的时间。粘液霉菌实际上具有一种非常特殊的智能来解决这一空间任务。毕竟，这对其生存至关重要。

参考：Joseph N. Burchett，Oskar Elek，Nicolas Tejos，J。Xavier Prochaska，Todd M. Tripp，Rongmon Bordoloi和Angus G. Forbes的“揭示宇宙网的暗线”，2020年3月10日，天体物理学杂志Letters.DOI ：
10.3847 / 2041-8213 / ab700c

哈勃太空望远镜是美国宇航局与欧洲航天局（ESA）之间国际合作的项目。NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责管理该望远镜。位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所（STScI）负责哈勃望远镜的科学运作。STScI由位于华盛顿特区的天文学研究大学协会为NASA运营。