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几十亿年来，引力将宇宙中的物质拉扯成了一张由细丝、卷须和巨大空洞组成的复杂网络，科学家称这种大尺度结构为“宇宙网”。星系就像串珠一样散落在宇宙网的细丝上。美国新墨西哥州立大学的天文学家法尔哈努尔·哈桑（Farhanul Hasan）和同事想知道，由这些细丝构成的环境如何影响星系的演化。哈桑说：“我们喜欢称之为星系生态系统。”
为了找到答案，研究人员需要准确绘制宇宙网随时间变化的图像。然而，宇宙网中气体、星系和暗物质的混合物，让这一任务颇具挑战。因为我们能轻松观测到星系中的恒星，却很难观测剩下的物质。
为了在计算机模拟的宇宙中将各点相连，哈桑和同事引入了一位特殊的“合作者”：一种不起眼的黏菌。这些单细胞生物是探索周围空间的专家。黏菌的细胞膜以同步波的形式向各个方向推进。当发现食物来源时，靠近食物一侧的细胞膜会放松一些，从而让后续行动轻松地将自身推到食物所在的区域。
科学家已经利用黏菌的探索能力破解迷宫和逻辑谜题，重建交通系统，还启发了高效的算法。美国新泽西理工学院的黏菌专家西蒙·加尼尔（Simon Garnier）表示：“这是一种很好的映射算法，因为它不会因你首次决定探查的方向出现偏差。相反，它可以同时探索所有方向。”
哈桑和他的研究团队将一组星系的位置作为“食物”，投喂给基于黏菌的算法，并让它在不同的时间点绘制模拟宇宙中的连接。最终，黏菌地图创建的细丝结构，比研究团队尝试过的任何一种人工设计的算法都要清晰。而且黏菌地图能够更灵敏地探查到较小的特殊结构，也更容易探查到暗物质。研究人员发现，在发展早期，无论是宇宙细丝的临近度（空间中两个物体距离相近的程度）还是厚度，似乎都不会影响星系。但随着宇宙的成熟，情况发生了变化：宇宙网上物质密集的区域，会因强烈的引力作用破坏距离过近的星系中的恒星形成。
美国纽约市立大学-纽约城市技术学院的天体物理学家阿里·马勒（Ari Maller）说：“探究宇宙网如何影响星系形成的关键难点在于，描述宇宙网的精度，需要达到我们能观测到相应影响的水平。而使用黏菌算法似乎已经能实现这一目标。”
相关研究很快将发表在《天体物理学杂志》（Astrophysical Journal）上，而这仅仅是个开始。科学家正在试图观测时间更深处的宇宙。最终，用计算机模拟宇宙得到的结论，会用来与对宇宙网的早期观察做对比——黏菌算法已然准备好将它们全部绘制出来。
本文选自《环球科学》2024年9月刊前沿部分。
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