Nasz wszechświat jest niesamowicie ogromny, w większości tajemniczy i ogólnie mylący. Otaczają nas kłopotliwe pytania na skalach zarówno wielkich, jak i małych. Na pewno mamy kilka odpowiedzi, takich jak Standardowy Model Fizyki Cząstek, które pomagają nam (przynajmniej fizykom) zrozumieć podstawowe interakcje subatomowe oraz teorię Wielkiego Wybuchu o tym, jak powstał wszechświat, który łączy ze sobą kosmiczną historię z przeszłości 13,8 miliarda lat.
Ale pomimo sukcesów tych modeli wciąż mamy wiele do zrobienia. Na przykład, czym na świecie jest ciemna energia, którą nadajemy sile napędowej obserwowanej przyspieszonej ekspansji wszechświata? A na drugim końcu skali, czym dokładnie są neutrina, te upiorne małe cząsteczki, które ślizgają się po kosmosie i nie zbliżają się do niego?
Na pierwszy rzut oka te dwa pytania wydają się tak radykalnie różne pod względem skali i natury oraz, cóż, wszystko, co możemy założyć, że musimy na nie odpowiedzieć.
Ale może się zdarzyć, że pojedynczy eksperyment może ujawnić odpowiedzi na oba. Teleskop Europejskiej Agencji Kosmicznej ma zmapować ciemny wszechświat - patrząc wstecz, w czasie około 10 miliardów lat, kiedy uważa się, że ciemna energia szalała. Wejdźmy.
Idź duży i idź do domu
Aby się zagłębić, musimy podnieść wzrok. W górę W skalach znacznie, znacznie większych niż galaktyki (mówimy tutaj miliardy lat świetlnych, ludzie), gdzie nasz wszechświat przypomina ogromną, świecącą pajęczynę. Tyle że ta pajęcza sieć nie jest wykonana z jedwabiu, ale z galaktyk. Długie, cienkie wąsy galaktyk łączące gęste, zlepione węzły. Te węzły to gromady, tętniące życiem miasta galaktyk i gorący, bogaty gaz - ogromne, szerokie ściany tysięcy galaktyk. A między tymi strukturami, zajmującymi większość objętości we wszechświecie, znajdują się wielkie kosmiczne pustki, niebiańskie pustynie wypełnione niczym więcej.
Nazywa się kosmiczną siecią i jest największą rzeczą we wszechświecie.
Ta kosmiczna sieć była powoli budowana przez miliardy lat przez najsłabszą siłę w przyrodzie: grawitację. Dawno temu, kiedy wszechświat był najmniejszym ułamkiem jego obecnej wielkości, był prawie idealnie jednolity. Ale „prawie” jest tutaj ważne: występowały niewielkie różnice w gęstości od miejsca do miejsca, niektóre zakątki wszechświata były nieco bardziej zatłoczone niż przeciętnie, a inne nieco mniej.
Z czasem grawitacja może robić niesamowite rzeczy. W przypadku naszej kosmicznej sieci te nieco wyższe niż przeciętne gęste regiony miały grawitację, która była nieco silniejsza, przyciągając do nich swoje otoczenie, co czyniło te grudki jeszcze bardziej atrakcyjnymi, przyciągającymi więcej sąsiadów itd. wkrótce.
Przewiń ten proces miliard lat, a rozwiniesz swoją własną kosmiczną sieć.
Uniwersalny przepis
Oto ogólny obraz: aby stworzyć kosmiczną sieć, potrzebujesz trochę „rzeczy” i potrzebujesz grawitacji. Ale to, co robi się naprawdę interesujące, tkwi w szczegółach, szczególnie w szczegółach.
Różne rodzaje materii będą się grupować i tworzyć struktury w różny sposób. Niektóre rodzaje materii mogą zaplątać się w siebie lub wymagać usunięcia nadmiaru ciepła, zanim zaczną się krzepnąć, podczas gdy inne mogą łatwo dołączyć do najbliższej drużyny. Niektóre rodzaje materii poruszają się na tyle wolno, że grawitacja może skutecznie wykonywać swoją pracę, podczas gdy inne rodzaje materii są tak flotywne i zwinne, że grawitacja ledwo może dostać się na swoje słabe ręce.
Krótko mówiąc, jeśli zmienisz składniki wszechświata, otrzymasz kosmiczne sieci o innym wyglądzie. W jednym scenariuszu może być więcej bogatych gromad i mniej pustych pustek w porównaniu z innym scenariuszem, w którym puste przestrzenie całkowicie dominują we wczesnej historii kosmosu, bez tworzenia się gromad.
Jednym ze szczególnie intrygujących składników jest neutrino, wspomniana upiorna cząstka. Ponieważ neutrino jest tak lekkie, porusza się z prawie prędkością światła. Ma to efekt „wygładzania” struktur we wszechświecie: grawitacja po prostu nie może wykonać swojej pracy i wciągnąć neutrina w zwarte kulki. Tak więc, jeśli dodasz zbyt wiele neutrin do wszechświata, rzeczy takie jak całe galaktyki ostatecznie nie będą mogły powstać we wczesnym wszechświecie.
Małe problemy, duże rozwiązania
Oznacza to, że możemy wykorzystać samą kosmiczną sieć jako gigantyczne laboratorium fizyki do badania neutrin. Badając strukturę sieci i rozkładając ją na różne części (klastry, puste przestrzenie itd.), Możemy uzyskać zaskakująco bezpośredni sposób obchodzenia się z neutrinami.
Jest tylko jeden drobny problem: Neutrina nie są jedynym składnikiem wszechświata. Jednym z głównych czynników zakłócających jest obecność ciemnej energii, tajemniczej siły, która rozrywa nasz wszechświat na strzępy. Jak można się spodziewać, wpływa to w znacznym stopniu na kosmiczną sieć. W końcu trudno budować duże struktury w szybko rozszerzającym się wszechświecie. A jeśli spojrzysz tylko na jedną część kosmicznej sieci (powiedzmy na przykład gromady galaktyk), możesz nie mieć wystarczającej ilości informacji, aby odróżnić efekty neutrin od efektów ciemnej energii - które oba utrudniają zlepianie się „ rzeczy."
W ostatnim artykule opublikowanym online w czasopiśmie arXiv astronomowie wyjaśnili, w jaki sposób nadchodzące badania galaktyk, takie jak misja Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej, pomogą odkryć zarówno właściwości neutrina, jak i ciemnej energii. Satelita Euclid odwzoruje lokalizacje milionów galaktyk, malując bardzo szeroki portret kosmicznej sieci. I w tej strukturze znajdują się wskazówki dotyczące historii naszego wszechświata, przeszłości, która zależy od jego składników, takich jak neutrina i ciemna energia.
Patrząc na kombinację najgęstszych, najbardziej ruchliwych miejsc we wszechświecie (gromady galaktyk) i najbardziej samotnych, pustych miejsc w kosmosie (pustki), możemy uzyskać odpowiedzi zarówno na naturę ciemnej energii (która zapowiada epokę zupełnie nowej wiedzy fizyki) i natury neutrin (które zrobią dokładnie to samo). Możemy dowiedzieć się na przykład, że ciemna energia pogarsza się, staje się lepsza, a może po prostu jest taka sama. I możemy dowiedzieć się, jak ogromne są neutrina lub jak wiele z nich przemyka wokół wszechświata. Ale bez względu na to, ciężko powiedzieć, co otrzymamy, dopóki nie spojrzymy.
Paul M. Sutter jest astrofizykiem Ohio State University, gospodarzem Zapytaj kosmonautę i Radio kosmicznei autor Twoje miejsce we wszechświecie.
