宇宙中布满了星系，这些星系在大尺度上呈现出一种丝状图案，被称为宇宙网。宇宙物质的这种异质分布在某些方面就像松饼中的蓝莓，物质在某些区域聚集，但在其他区域可能缺乏。

精确模拟提供了宇宙结构的视角

基于一系列模拟，研究人员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。这项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度，从而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特性截然不同，具有自己独特的特征，”该研究的合著者奥利弗菲尔考克斯解释道。

这项工作现已发表在PhysicalReviewX上，由SalvatoreTorquato进行，他是高级研究所的常客和访问者，也是普林斯顿大学化学和物理系的LewisBernard自然科学教授;OliverPhilcox是访问博士。2020年9月至2022年8月在该研究所学习，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。1,000个模拟中的每一个都包含十亿个暗物质“粒子”，这些暗物质“粒子”的簇由引力演化形成，可作为星系的代表。

该论文的主要结果之一涉及通过对连通函数在拓扑上相互连接的星系对之间的相关性。基于这一点——以及异构媒体理论中出现的一系列其他描述符——研究小组表明，在最大尺度上(大约几百兆秒差距)，宇宙接近超均匀性，而在更小的尺度上(高达10兆秒差距)它变得几乎反超均匀且强烈不均匀。

“有序和无序之间的感知转变在很大程度上取决于规模，”Torquato说。“GeorgesSeurat在画作《大碗上的星期天》中的点画技术产生了类似的视觉效果;近距离观看时作品显得无序，而从远处看则高度有序。就宇宙而言，有序和无序的程度是更微妙，就像罗夏墨迹测验一样，可以用无数种方式来解释。”

宇宙的一部分(黑色和白色)，暗物质晕由点表示，相关的大规模拓扑结构由颜色表示。图片来源：Philcox和Torquato;吉诃德模拟

统计工具，特别是最近邻分布、聚类诊断、泊松分布、渗透阈值和配对连接函数，使研究人员能够开发出一致且客观的框架来衡量顺序。因此，他们的发现虽然是在宇宙学背景下得出的，但可以转化为许多其他动力、物理系统。

这项跨学科的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，还可以使用这些工具探索宇宙的许多其他特征，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，发现的关于宇宙的新现象也可能提供对地球上各种物质系统的洞察力。该团队认识到，在将这些技术应用于真实数据之前，还需要做更多的工作，但这项工作提供了具有巨大潜力的强大概念验证。