小小黏菌，大大智慧：預測星系間暗物質(zhì)網(wǎng)絡的黏菌算法

Leo

黏菌是群體智能的代表：個體是單細胞，但菌落的繁殖移動卻像是擁有智慧——可以找到食物之間的最短路徑。在一項最新研究中，黏菌的群體智能被進一步開發(fā)——研究者參考黏菌生長設計出的新算法，竟然能夠高質(zhì)量地模擬宇宙演化的過程，井構(gòu)建出可信的星系間暗物質(zhì)網(wǎng)絡。

繪制宇宙網(wǎng)的黏菌算法

根據(jù)廣為接受的大爆炸理論，在大爆炸之后，彌漫在宇宙中的物質(zhì)逐漸形成了星系、星云等天體，天體之間則存在著巨大的空洞。依照現(xiàn)有理論，這些大型天體并不是孤立地運轉(zhuǎn)在這片虛空之中的，而是由暗物質(zhì)和氣體構(gòu)成的細絲把眾多的星體聯(lián)系在一起，形成了宇宙網(wǎng)（cosmicweb）。這些看不到的暗物質(zhì)，在宇宙，總物質(zhì)中的占比達到驚人的85%。科學家卻很難觀測這些包含暗物質(zhì)和氣體的絲線，因為它們確實“暗”得難以被探測到。

群有著黃色黏液的黏菌啟發(fā)了加州大學圣克魯茲分校的天文學家和計算機科學家，他們利用黏菌的生長模型設計了一種算法，以幫助天文學家們計算出宇宙網(wǎng)。這一創(chuàng)造性的算法為預測宇宙網(wǎng)的大尺度結(jié)構(gòu)提供了新方法。

黏菌——科學家的老朋友

黏菌可以說算得上是科學家的老朋友了，尤其是一種被稱為“海綿寶寶”的黏菌——多頭絨泡菌（Physarumpolycephalum），更是廣為人知的學術明星。

多頭絨泡菌常見于森林的朽木和落葉中。多個細胞聚集在一起形成的原生質(zhì)團（一種成分復雜的膠體），會為了尋找食物而四處“爬動”，從而繪制出往來食物之間的最優(yōu)路徑，最終形成復雜又迷人的網(wǎng)絡。科學家就曾做過利用黏菌走迷宮的實驗，更廣為人知的，可能就是利用多頭絨泡菌繪制東京交通網(wǎng)絡的實驗了。

黏菌算法

這個利用黏菌模型來實現(xiàn)的多主體算法并不算復雜。首先，把輸入的數(shù)據(jù)模擬為黏菌要找的食物（deposit）。黏菌為了尋找食物會依照隨機選定的角度和距離移動，并在網(wǎng)絡中留下隨機游走的軌跡（trace），最終會布滿整個空間。這時，再依次去除掉黏菌主體（agents）和黏菌的食物（deposit），就得到了一幅路徑網(wǎng)絡圖。

這一算法被命名為蒙特卡洛絨泡機（MonteCarloPhysarumMachine，MCPM）。當然，研究者也指出，他們開發(fā)出的模型已經(jīng)高度抽象，相比最初來自黏菌的靈感已經(jīng)走出很遠。同時，研究者們也會繼續(xù)完善這一算法。

在OskarElek建議JoeBurchett利用黍黏菌的生長模型來做宇宙網(wǎng)絡的模擬時，Joe對比表示過懷疑，畢竟黏菌的生長與宇宙網(wǎng)絡的形成這二者背后的原理完全不同。但結(jié)果是，他們進一步利用斯隆數(shù)字化巡天（SloanDigitalSkySurvey，SDSS）提供的包含著3.7萬個星系的數(shù)據(jù)集，驗證了黏菌算法（MCPM算法）的準確性——小小的黏菌繪制出的宇宙網(wǎng)令人信服。

探索宇宙演化的新方法

這一成果揭示了宇宙中暗物質(zhì)大尺度的分布情況。Burchett的研究團隊使用的數(shù)據(jù)來自Bolshoi-Planck宇宙學模擬（一個全域純暗物質(zhì)模擬項目）。在從這個模擬項目中抽離出暗物質(zhì)資料后，研究者運行了他們構(gòu)建暗物質(zhì)網(wǎng)絡的黏菌算法。在他們把經(jīng)由黏菌算法建立的宇宙網(wǎng)與模擬項目的數(shù)據(jù)進行比對時，發(fā)現(xiàn)二者的差異不大。

這是科學家第一次得以量化星系際介質(zhì)（IGM）的密度。黏菌繪制的網(wǎng)絡告訴科學家，暗物質(zhì)和氣體組成的細絲會存在于哪里?？茖W家們就可以據(jù)此，利用哈勃望遠鏡記錄的光譜數(shù)據(jù)，通過信號強弱特征來判斷氣體的密度。

這一成果驗證了宇宙學模型所預測的宇宙宏觀結(jié)構(gòu)，而這些由宇宙中的氣體細絲架起的連接，也加深了我們對宇宙演化的理解。

給我45萬個暗物質(zhì)光暈，我們可以得到一個與模擬幾乎一樣的密度場。

——黏菌算法的設計者、計算機媒體學博士后OskarElek

我們不僅僅想研究星系以及它們在宇宙中的位置，也需要研究存在于星系間的星系際介質(zhì)。因為只有在那樣宏大的尺度下，我們才能理解星系演化的過程。

——黏菌算法的設計者、天文與天體物理學博士后JoeBurchett