宇宙中充斥著星系，在大尺度上，這些星系表現(xiàn)出絲狀圖案，稱為宇宙網(wǎng)。這種宇宙物質(zhì)的異質(zhì)分布在某些方面就像松餅中的藍莓，其中物質(zhì)聚集在某些區(qū)域，但在其他區(qū)域可能缺乏。

基于一系列模擬，研究人員已經(jīng)開始通過將星系的分布視為點的集合(就像構(gòu)成材料的單個物質(zhì)粒子)而不是連續(xù)分布來探索宇宙的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

這種技術(shù)使為材料科學開發(fā)的數(shù)學應用能夠量化宇宙的相對無序，從而能夠更好地理解其基本結(jié)構(gòu)。

“我們發(fā)現(xiàn)宇宙中星系的分布與傳統(tǒng)材料的物理性質(zhì)完全不同，具有自己獨特的特征，”該研究的共同作者Oliver Philcox解釋說。

這項工作現(xiàn)已發(fā)表在《物理評論X》上，由高級研究所的常客和普林斯頓大學化學和物理系的自然科學教授薩爾瓦多·托爾夸托(Salvatore Torquato)進行;奧利弗·菲爾科克斯(Oliver Philcox)于2020年2022月至<>年<>月在該研究所擔任訪問博士生，現(xiàn)在是哥倫比亞大學西蒙斯研究員協(xié)會的初級研究員。

兩人分析了普林斯頓大學和熨斗研究所生成的公共模擬數(shù)據(jù)。1個模擬中的每一個都由十億個暗物質(zhì)“粒子”組成，其星團由引力演化形成，作為星系的代表。

該論文的主要結(jié)果之一涉及通過對連接函數(shù)在拓撲上相互連接的星系對的相關(guān)性。

基于這一點 - 以及異質(zhì)介質(zhì)理論中出現(xiàn)的一系列其他描述符 - 研究小組表明，在最大的尺度上(大約幾百兆秒差距)，宇宙接近超均勻性，而在較小的尺度上(高達10兆秒差距)，它變得幾乎反超均勻和強烈不均勻。

“秩序與無序之間的感知轉(zhuǎn)變在很大程度上取決于規(guī)模，”托爾夸托說。“喬治·修拉(Georges Seurat)在畫作《大賈特的星期天》中的點彩畫技術(shù)產(chǎn)生了類似的視覺效果;從遠處近距離觀看時，作品顯得無序有序。就宇宙而言，秩序和無序的程度更加微妙，就像羅夏墨跡測試可以用無數(shù)種方式解釋一樣。

統(tǒng)計工具，特別是最近鄰分布、聚類診斷、泊松分布、滲透閾值和對連通性函數(shù)，使研究人員能夠開發(fā)一個一致且客觀的測量階次框架。因此，他們的發(fā)現(xiàn)雖然是在宇宙學背景下做出的，但轉(zhuǎn)化為許多其他動力學物理系統(tǒng)。

這項跨學科工作結(jié)合了宇宙學和凝聚態(tài)物理學的技術(shù)，對這兩個領(lǐng)域都有未來的影響。除了星系的分布之外，宇宙的許多其他特征都可以用這些工具探索，包括宇宙空洞和在宇宙再電離階段形成的電離氫氣泡。

相反，在宇宙中發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象也可能提供對地球上各種物質(zhì)系統(tǒng)的洞察。該團隊認識到，在這些技術(shù)應用于真實數(shù)據(jù)之前，還需要做更多的工作，但這項工作提供了一個具有巨大潛力的強大概念驗證。