精确模拟提供了对宇宙结构的视角

宇宙中充斥着星系，在大尺度上，这些星系表现出丝状图案，称为宇宙网。这种宇宙物质的异质分布在某些方面就像松饼中的蓝莓，其中物质聚集在某些区域，但在其他区域可能缺乏。

基于一系列模拟，研究人员已经开始通过将星系的分布视为点的集合(就像构成材料的单个物质粒子)而不是连续分布来探索宇宙的异质结构。

这种技术使为材料科学开发的数学应用能够量化宇宙的相对无序，从而能够更好地理解其基本结构。

“我们发现宇宙中星系的分布与传统材料的物理性质完全不同，具有自己独特的特征，”该研究的共同作者Oliver Philcox解释说。

这项工作现已发表在《物理评论X》上，由高级研究所的常客和普林斯顿大学化学和物理系的自然科学教授萨尔瓦多·托尔夸托(Salvatore Torquato)进行;奥利弗·菲尔科克斯(Oliver Philcox)于2020年2022月至<>年<>月在该研究所担任访问博士生，现在是哥伦比亚大学西蒙斯研究员协会的初级研究员。

两人分析了普林斯顿大学和熨斗研究所生成的公共模拟数据。1个模拟中的每一个都由十亿个暗物质“粒子”组成，其星团由引力演化形成，作为星系的代表。

该论文的主要结果之一涉及通过对连接函数在拓扑上相互连接的星系对的相关性。

基于这一点 - 以及异质介质理论中出现的一系列其他描述符 - 研究小组表明，在最大的尺度上(大约几百兆秒差距)，宇宙接近超均匀性，而在较小的尺度上(高达10兆秒差距)，它变得几乎反超均匀和强烈不均匀。

“秩序与无序之间的感知转变在很大程度上取决于规模，”托尔夸托说。“乔治·修拉(Georges Seurat)在画作《大贾特的星期天》中的点彩画技术产生了类似的视觉效果;从远处近距离观看时，作品显得无序有序。就宇宙而言，秩序和无序的程度更加微妙，就像罗夏墨迹测试可以用无数种方式解释一样。

统计工具，特别是最近邻分布、聚类诊断、泊松分布、渗透阈值和对连通性函数，使研究人员能够开发一个一致且客观的测量阶次框架。因此，他们的发现虽然是在宇宙学背景下做出的，但转化为许多其他动力学物理系统。

这项跨学科工作结合了宇宙学和凝聚态物理学的技术，对这两个领域都有未来的影响。除了星系的分布之外，宇宙的许多其他特征都可以用这些工具探索，包括宇宙空洞和在宇宙再电离阶段形成的电离氢气泡。

相反，在宇宙中发现的新现象也可能提供对地球上各种物质系统的洞察。该团队认识到，在这些技术应用于真实数据之前，还需要做更多的工作，但这项工作提供了一个具有巨大潜力的强大概念验证。