卑しい粘菌が宇宙の地図を描くのを手伝っている

粘菌は考えないが、計算はできる。この単細胞生物は、豊かな時には自力で生き延びているが、困難な状況になると集団として団結し、食料を求めて探索、学習、記憶する。脳や神経系を持たない生物としては悪くない。特に、粘菌の一種であるPhysarum polycephalumは、多くの分野の研究者のお気に入りで、その先駆的な性質を利用して古代の道路から現代の買い物客まであらゆるものを分析している。現在、天文学者は宇宙そのものを研究するために、この生物のデジタル版を設計した。

「それらは動物でも植物でもないだけでなく、菌類でもありません。原生生物、つまりより単純な生命体なのです」と、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の天文学者で、粘菌に着想を得た今回の研究の共著者であるジョセフ・バーチェット氏は言う。

そして、こうした単純な生命体に基づくアルゴリズムは、他のコンピューターシミュレーションが及ばないところで成功したようだ。天体物理学者が宇宙全体に広がっていると考えている、ほとんど目に見えない物質の糸の複雑な網の目の形状を正確に予測した、と最近アストロフィジカルジャーナルレターズ誌に発表された研究は述べている。これまでの観測では、この捉えどころのない構造がかすかに垣間見えた可能性があり、一部の銀河は明らかに糸状のものを描いているように見えるが、このコンピューターモデルは粘菌からの洞察とともに、入手可能なすべての証拠を結び付けて、初めて局所的な宇宙の網の統一された地図を作成したとバーチェット氏は言う。彼は、このシミュレーションが、銀河がどのように進化し、なぜいくつかの銀河が最終的に消滅するのかを解明しようとする自身のような天文学者の指針となることを期待している。

肉眼で見えるすべての星は、私たちの銀河である天の川銀河の中に存在しますが、それは宇宙のほんの一部にすぎません。銀河自体は糸状に密集しており、それらが連結して、広大な空虚によって分離された物質の「フィラメント」を特徴とする、理解不能なほど巨大な「宇宙の網」を形成しています。

宇宙全体を見渡すのは、人間が小さすぎるため難しい（人間がこのような地図を作ろうとするのは、バクテリアが地球、太陽系、近隣の恒星系を視覚化しようとするのと同じようなものだ）。しかし、研究者たちは宇宙の網を理解するために3つのトリックを使っている。

まず、天文学者は銀河が大体一列に並んでいるように見えることに気づいた。次に、ハッブル宇宙望遠鏡は、銀河間空間をサーチライトのように横切る多くの遠方クエーサー（非常に明るい銀河）を観測した。そして、それらの光線が移動中にどのように暗くなったかを測定することにより、研究者は、その途中でウェブの糸（通常は中性水素によってトレースされる）がどこに走っていたかを知ることができる。しかし、これらのちらっと見える範囲は狭く、バーチェットはそれを「鉛筆ビームの串刺し」と呼んでいる。ウェブの全体像を把握するために、研究者は3番目のツール、コンピューターシミュレーションに頼る。

これらのプログラムは、宇宙全体の発展を模倣しようとしている。ビッグバン後の滑らかな粒子のスープから始まる。これには通常の物質と、古代と現代の宇宙の両方で支配的であると推定される目に見えない「暗黒物質」の両方が含まれる。次に、重力によって両方の種類の物質が一緒に塊になると、宇宙は膨張し、それらの塊がさまざまなサイズのフィラメントに引き伸ばされ、宇宙のウェブが作られる。これらのモデルは、厚い部分と薄い部分の両方を含む全体的な構造を予測しますが、ランダムな構成から始まるため、実際の宇宙、たとえばここに天の川があり、あちらにアンドロメダ銀河があるようなマップは作成されません。実際の観測から構築された他のモデルは、銀河の近くのウェブ物質の量を正確に取得しますが、より遠くの細いフィラメントを再現するのに苦労しているとバーチェットは言います。彼は両方を求めていました。

そこで粘菌の出番だ。ガスが宇宙の網に沿って流れ、星や銀河の形成にどう影響するかに興味を持つバーチェット氏は、自分の求めるモデルを見つけるのに苦労していた。同僚のコンピューター科学者オスカー・エレック氏が、粘菌にヒントを得たドイツ人アーティスト、セージ・ジェンソン氏の作品が、網の経済的なつながりと疑わしいほど似ていると示唆したとき、バーチェット氏は最初は懐疑的だった。しかしエレック氏が粘菌のコードを修正し、平らなペトリ皿ではなく3D空間に散らばった銀河を「食べる」ようにすると、類似点は否定できないものになった。「彼が結果を見せてくれたときは、ただただ驚きました」とバーチェット氏は言う。

その仕組みは次の通り。完全なモデルでは、仮想の粘菌細胞を、スローン デジタル スカイ サーベイによる 37,000 個以上の実際の銀河の地図上に解き放ち、その範囲は 10 億光年近く、約 2 億 5,000 万光年にも及ぶ。大きな銀河は、より大きな食物の山を表す。生物がさまざまなごちそうにたどり着くための最も効率的な方法を探し求めると、研究者たちは、それが実際の宇宙の網を描き出すことを期待する道筋を描く。一見すると、モデルは、想定されるサイズの範囲に及ぶフィラメントで正しい構造を作り出しているように見えたが、もっともらしく見えるだけでは十分ではなかった。

この地図のストレステストを行うため、研究者たちはデジタルで作成した偽の宇宙と地図を比較した。ビッグバンから現代まで従来の宇宙論モデルを適用し、暗黒物質と銀河のリアルなパターンを持つ完全な宇宙の網を作成した。次に、暗黒物質を捨て、目に見える銀河だけを粘菌に与えた。仮想的な摂食の狂乱が収まった後、粘菌は捨てた暗黒物質の網のパターンを、大きな銀河の近くでも遠くの銀河でも、太い糸から細い糸まで、ほぼ完璧にトレースすることに成功した。

粘菌モデルは目に見えないクモの巣の構造を見つける方法を知っていると確信した研究チームは、3 つの証拠すべてを結び付けることに着手しました。研究チームは、スローン デジタル スカイ サーベイで観測された目に見える銀河の実際の位置に基づいてデジタル生成した実際の宇宙の地図に戻り、それをハッブルの「鉛筆ビームの串刺し」で捉えたクモの巣の画像と比較しました。

その結果、すべてがほぼ一致した。粘菌の地図が何もないと予測した場所には、ハッブルは中性水素ガスをほとんど観測しなかった。粘菌の地図が細い糸状のクモの巣を予測した場所には、ハッブルは中程度の濃度の水素ガスを観測した。天文学者たちは長い間、銀河間空間の水素ガスがクモの巣を描いていると想定してきたが、バーチェット氏によると「これが両者の初めての決定的な関連性だ」という。

しかし、粘菌が最も密集している場所では、ハッブルは実際に中性水素ガスの減少を観測した。アルゴリズムがクモの巣が最も強い地点で検出できなかったか、検出できたがこれらのホットスポットはハッブルにとって見えにくいかのどちらかだ。バーチェットは後者に賭けている。彼によると、クモの巣は激しい宇宙の交差点で最も密集しており、そこでは衝突する銀河が衝撃波を発し、超大質量ブラックホールが深淵にエネルギーを噴出している。これらの地域では、混沌とした活動が水素ガスを引き裂き、ハッブルはこの残骸を観測できない。

最終的には、粘菌の地図が、宇宙の網が銀河の形成に寄与しているかどうかなど、長年の論争に決着をつけるのに役立つことを期待している。星を作るには、重力で引き寄せられる比較的静止したガスが必要だ。ガスは太い糸のように速く流れすぎて、集まって星を形成する代わりに通り過ぎてしまう可能性がある。そのため、その糸の真ん中にある銀河は比較的早く消滅する可能性がある。「この地図は、銀河とそのガス貯蔵庫を生態系の観点から研究するための道筋を示しています」とバーチェット氏は言う。

しかし、この地図が研究者の期待を本当に反映しているかどうかを確認するには、さらなる観測が必要になるだろう。チリのシモンズ天文台（2021年に初観測予定）やアテナX線衛星（2031年に打ち上げ予定）など、今後10年間で稼働する新しい望遠鏡は、粘菌の知恵が実際にどこまで及ぶかを知るのに役立つだろう。