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宇宙网的纷繁之美

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:9

    宇宙网的纷繁之美

    科学家发现所谓的“宇宙网”至今不到十年光景。从那时起,各种各样的问题络绎不绝,其中最重要的或许要属“宇宙网到底长什么样?”。复杂网络研究中心的金姆·阿尔布雷克特(Kim Albrecht)开发了一项新的可视化系统,这可以帮助解决这一引人入胜的谜题。

    但首先让我们回到刚开始的问题:到底什么是宇宙网?简单来说,宇宙网就是由宇宙中所有的星系和连接它们的网状丝络所形成的巨大网络。星系之间由无形的氢气纤维连接,这些星系之间的“桥梁”包含了宇宙中大部分的普通物质,它们的结构同样也反映了暗物质的分布情况。

    说实话,直接观察这些宇宙丝络是很有难度的。天体物理学家设法拍摄到了足够多的宇宙网局部图像,据此得到的宇宙网结构模型看来已经相当可靠。去年,Illustris项目的研究人员用这些模型构建了宇宙网的2D模拟,并实现了气体密度、温度以及速度等关键数据的可视化。

    随后,在Illustris的基础上,可视化研究者和信息设计师金·阿尔布雷克特(Kim Albrecht)创造出了一个宏大的新3D可视化宇宙网,并将其命名为“Network Universe”。阿尔布雷克特的项目是在Illustris模拟的基础上建立起来的,并将其提升到了新高度,不但具有互动性,而且还是沉浸式的。

    宇宙网的纷繁之美

    图片来源:NETWORK UNIVERSE BY KIM ALBRECHT

    当在Network Universe中进行缩放、平移以及旋转操作时,我立即感受到了宇宙网三种不同“模型”的视觉冲击。那么这些有趣的差异从何而来呢?问题的答案就在可视化模型背后的科学之中。

    阿尔布雷克特的可视化模型源自一项合作研究,这个研究旨在评价几种描绘宇宙网结构的不同算法。宇宙网的三种可视化形式代表了接受测试的三种主要的模型。网站对每种模型进行了简单明了的总结,并在论文中通过数学表达式加以详尽的表述。当看这些公式时我承认我有一些糊涂,虽然网站上的解释相对来说要友好许多,但我还是不明白一开始看到的东西到底是什么。在与阿尔布雷克特通邮件以及深入思考之后,答案开始在我大脑中浮现了出来。

    宇宙网的纷繁之美

    定长模型

    定长模型(Fixed Length Model)相对简单一些:给定长度范围内的所有节点(也就是星系)是相互连接在一起的。如果某些节点在给定的半径范围内没有邻近的星系,那么它就是孤立的;而有许多邻近星系的节点就会有许多连接。就像结果显示的那样,在有些节点附近,因为星系密集地聚集在一起,宇宙网看起来就相对致密,而在其他节点处就相对稀疏一些。

    宇宙网的纷繁之美

    变长模型

    变长模型(Varying Length Model)就相对复杂了些。在这个模型中,节点越大表示这个节点可产生的连接越长。小的节点也可以形成连接,但只和它距离相对较近的节点连接在一起。这样下来我们就会看到最大的节点周围集中了大量的、相互重叠的线条以及浓重的白色。

    宇宙网的纷繁之美

    最近邻模型

    接下来是最近邻模型(Nearest Neighbors Model),模型中的每个节点最多有n个连接,这些连接只会出现在与它最近的节点之间。如果n=3,对于某些节点,3个最近的星系可能都在附近,而对于其他节点,这3个星系或许要远得多。在这种情况下,即使是拥有许多邻近星系的节点,连接的数量也不能超过3。所以,与其他两种相比,最近邻模型从来不会有很致密的区域出现,而且白色区域在黑色背景上的分布也相对均匀一些。

    所有的可视化模型都是美轮美奂的,去探索它们一定也很有趣。而对我来说,最近邻模型中却还有其他一些东西在吸引着我。它的连接线非常清晰,整体结构很自然;一种超脱的秩序调和了随机分布的感觉。有的人或许会将这个模型与自然界中的某些结构相比,例如大脑神经网络以及蛋白丝网等。

    有趣的是,有研究指出,实际观测发现,宇宙网的特点与最近邻模型所描述的最为一致。显然这些结果在科学方面还值得进一步探索与研究,我对这些结果的简单与诗意也感到很满意。那些人们看上去最美的、与构成人类自身的东西最像的,恰巧也就是真实的。

    撰文:Amanda Montañez

    翻译:刘志敏

    审校:牛天宇

    原文链接:

    https://blogs.scientificamerican.com/sa-visual/the-beautiful-complexity-of-the-cosmic-web/

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