小小黏菌，大大智慧：预测星系间暗物质网络的黏菌算法

狮子星座

黏菌是群体智能的代表:个体是单细胞，但群体像拥有智能一样繁殖和移动——它们可以找到食物之间的最短路径。在最近的一项研究中，黏菌的群体智能得到了进一步发展——研究人员参考黏菌的生长情况设计的新算法，实际上可以高质量地模拟宇宙的演化，构建可信的星系间暗物质网络。

绘制宇宙网的黏菌算法

根据广为接受的宇宙大爆炸理论，宇宙大爆炸后，宇宙中的物质逐渐形成星系、星云等天体，其间存在巨大的空空洞。根据现有的理论，这些大型天体并不是孤立地运行在这个虚拟空中，而是由暗物质和气体组成的细丝将许多恒星连接在一起，形成一个宇宙网。这些看不见的暗物质占到了宇宙总物质的惊人的85%。然而，科学家们很难观察到这些含有暗物质和气体的丝线，因为它们真的很“暗”，很难探测到。

加州大学圣克鲁斯分校的天文学家和计算机科学家受到了一群带有黄色粘液的黏菌的启发。他们利用黏菌的生长模型设计了一种算法，来帮助天文学家计算宇宙网络。这种创造性的算法为预测宇宙网的大规模结构提供了一种新方法。

黏菌——科学家的老朋友

黏菌可以算是科学家的老朋友了，尤其是一种叫做海绵宝宝的黏菌，是大家熟知的学术明星。

多头绒泡菌常见于森林中的枯木和落叶中。多个细胞形成的原生质体团(一种复杂的胶体)会四处“爬行”寻找食物，从而在食物之间画出最佳路径，最终形成复杂而迷人的网络。科学家已经用黏菌做了穿越迷宫的实验。更广为人知的可能是利用多头绒泡菌绘制东京交通网络地图的实验。

黏菌算法

这个黏菌模型实现的多智能体算法并不复杂。首先，将输入数据模拟为黏菌正在寻找的沉积物。黏菌为了寻找食物，会按照随机选择的角度和距离移动，在网络中留下随机的痕迹，最终会充满整个空房间。此时，依次去除粘菌剂和粘菌沉积物，得到路径网络图。

这种算法被命名为蒙特卡罗绒毛机(MCPM)。当然，研究人员也指出，他们开发的模型高度抽象，与最初来自黏菌的灵感相去甚远。与此同时，研究人员将继续改进这种算法。

当OskarElek建议JoeBurchett使用粘菌的生长模型来模拟宇宙网络时，Joe表示怀疑。毕竟黏菌生长和宇宙网络形成背后的原理是完全不同的。然而，结果是，他们进一步使用Si sloandigitalskyservice(SDSS)提供的37000个星系的数据集来验证黏菌算法(MCPM算法)的准确性——微小黏菌绘制的宇宙网是令人信服的。

探索宇宙演化的新方法

这一成果揭示了暗物质在宇宙中的大规模分布。Burchett的研究小组使用了来自Bolshoi-Planck宇宙学模拟(一个全球纯暗物质模拟项目)的数据。从这个模拟项目中提取暗物质数据后，研究人员运行他们的黏菌算法来构建暗物质网络。当他们将黏菌算法建立的宇宙网络与模拟项目的数据进行对比时，发现两者差别不大。

这是科学家首次能够量化星系际介质(IGM)的密度。黏菌绘制的网络告诉科学家暗物质和气体的细丝将存在于何处。据此，科学家可以利用哈勃望远镜记录的光谱数据，通过信号强度的特征来判断气体的密度。

这项成果验证了宇宙学模型所预言的宇宙宏观结构，宇宙中气体细丝所做的这些连接加深了我们对宇宙演化的理解。

给我45万个暗物质晕，我们可以得到一个和模拟几乎一样的密度场。

—— OskarElek，黏菌算法的设计者，计算机媒体博士后。

我们不仅要研究星系及其在宇宙中的位置，还需要研究星系际的星系间介质。因为只有在如此宏大的尺度上，我们才能理解星系演化的过程。

-JoeBurchett，黏菌算法的设计者，天文学和天体物理学博士后。