宇宙中遍布着星系，在大尺度上呈现出一种丝状的模式，被称为宇宙网。这种宇宙物质的异质分布在某些方面就像松饼中的蓝莓，物质在某些区域聚集，但在其他区域可能缺乏。基于一系列的模拟，研究人员已经开始探究宇宙的异质结构，将星系的分布视为一个点的集合，就像构成物质的单个颗粒一样，而不是一个连续分布。

研究人员利用模拟研究了宇宙网，即在整个宇宙大尺度上存在的星系的丝状模式。通过将星系的分布视为一个点的集合，并应用为材料科学开发的数学技术，他们已经量化了宇宙的相对无序性，并对其基本结构有了更好的了解。资料来源：美国国家航空航天局/芝加哥大学和阿德勒天文馆和天文博物馆

这项技术使人们能够应用为材料科学开发的数学来量化宇宙的相对无序性，从而能够更好地理解其基本结构。

来自斯隆数字天空调查的宇宙中最大结构的可视化。资料来源：美国国家航空航天局/芝加哥大学和阿德勒天文馆和天文博物馆

"我们发现的是，宇宙中星系的分布与传统材料的物理特性有很大不同，有其独特的特征，"该研究的共同作者奥利弗-菲尔克斯解释说。这项工作现在发表在《物理评论X》上，由萨尔瓦托雷-托尔夸托（Salvatore Torquato）和奥利弗-菲尔克斯（Oliver Philcox）进行，前者是高级研究所的常客和访客，也是设在普林斯顿大学化学和物理系的刘易斯-伯纳德自然科学教授；后者是2020年9月至2022年8月在该研究所的访问博士生，现在是西蒙斯学会的初级研究员，主持在哥伦比亚大学。

这个可视化图展示了宇宙中最大结构的三维视图。它从斯隆数字天空调查的数据开始，放大后显示了来自WMAP的数据。

研究人员分析了由普林斯顿大学和Flatiron研究所产生的公共模拟数据。这1000个模拟数据中的每一个都由10亿个暗物质"粒子"组成，其由引力演化形成的星团可作为星系的代表。

该论文的主要成果之一是关于成对星系的相关性，这些星系通过成对连接函数在拓扑学上相互连接。基于这一点以及在异质介质理论中出现的其他描述符阵列，研究小组表明，在最大的尺度上（几百兆帕斯卡的数量级），宇宙接近超均匀性，而在较小的尺度上（高达10兆帕斯卡），它几乎成为反超均匀性和强不均匀性。

宇宙的一个截面（黑色和白色），暗物质光环用点表示，其相关的大尺度拓扑结构用颜色表示。资料来源：Philcox & Torquato; The Quijote Simulations

"秩序和无序之间的感知转变在很大程度上取决于规模，"托卡托说。"乔治-修拉（Georges Seurat）在《大山的星期天》（A Sunday on La Grande Jatte）这幅画中使用的点彩技术（见下图）产生了类似的视觉效果；从近处看这幅作品显得无序，从远处看则高度有序。就宇宙而言，有序和无序的程度更加微妙，就像罗夏的墨迹测试一样，可以有无限种解释方式。"

乔治-修拉的"La Grande Jatte的星期天"。

统计工具，特别是最近邻分布、聚类诊断、泊松分布、渗滤阈值和对连接度函数，使研究人员能够开发一个一致和客观的框架来衡量秩序。因此，他们的发现，虽然是在宇宙学背景下做出的，但也可以转化为其他一些动态的物理系统。

这项跨学科的工作，结合了宇宙学和凝聚态物理学的技术，对两个领域都有未来的影响。除了星系的分布，宇宙的许多其他特征也可以用这些工具来探索，包括宇宙空隙和在宇宙再电离阶段形成的电离氢泡。反过来说，发现的关于宇宙的新奇现象也可能为地球上的各种物质系统提供启示。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，但这项工作提供了一个强有力的概念证明，具有很大的潜力。