Universumimme on uskomattoman laaja, enimmäkseen salaperäinen ja yleensä sekava. Meitä ympäröivät hämmentävät kysymykset sekä isoilla että pienillä asteikolla. Meillä on varmasti joitain vastauksia, kuten hiukkasfysiikan standardimalli, kuten meillä (ainakin fyysikoilla) ymmärtää perustavanlaatuisia subatomisia vuorovaikutuksia, ja Big Bang -teoria siitä, kuinka maailmankaikkeus alkoi, joka kutoo yhdessä kosmisen tarinan menneisyydessä 13,8 miljardia vuotta.
Mutta näiden mallien onnistumisista huolimatta meillä on vielä paljon tehtävää. Esimerkiksi, mitä maailmassa on tumma energia, nimi, jonka annamme maailmankaikkeuden havaitun kiihtyneen laajentumisen vetäjälle? Ja asteikon vastakkaisessa päässä, mitä tarkalleen ovat neutriinot, ne kummitukselliset pienhiukkaset, jotka vetoavat ja zoomaavat kosmoksen läpi tuskin tekemättä mitään yhteyttä?
Ensi silmäyksellä nämä kaksi kysymystä vaikuttavat niin radikaalilta erilaiselta mittakaavan ja luonteen suhteen, ja kaiken, mitä voimme olettaa, että meidän on vastattava niihin.
Mutta voi olla, että yksi kokeilu saattaa paljastaa vastauksia molemmille. Euroopan avaruusjärjestön kaukoputki on suunniteltu kartoittamaan pimeää maailmankaikkeutta ajassa taaksepäin, noin 10 miljardia vuotta, kun pimeän energian uskotaan raivoavan. Kaivataan sisään.
Mene iso ja mene kotiin
Kaivataksesi sisään meidän on etsittävä. Ylös. Vaaka-alueilla, paljon suuremmilla kuin galakseilla (puhumme täällä miljardeja valovuosia, ihmiset), missä maailmankaikkeus muistuttaa laajaa, hehkuvaa hämähäkkiverkkoa. Lukuun ottamatta tätä hämähäkkiverkkoa ei ole tehty silkistä, vaan galakseista. Pitkät, ohuet galaksien ortilikset, jotka yhdistävät tiheät, clumpy solmut. Nuo solmut ovat klusterit, vilkkaat galaksien kaupungit ja kuuma, rikas kaasu - valtavat, laajat seinät tuhansista tuhansista galakseista. Ja näiden rakenteiden välillä, jotka vievät suurimman osan maailmankaikkeuden tilavuudesta, ovat suuret kosmiset tyhjät alueet, taivaalliset autiomaat, jotka ovat täynnä mitään.
Sitä kutsutaan kosmiseen verkkoon, ja se on maailmankaikkeuden suurin asia.
Tätä kosmista rainaa rakennettiin hitaasti miljardien vuosien ajan luonnon heikoimman voiman avulla: painovoiman avulla. Paluu takaisin, kun maailmankaikkeus oli pienin murto sen nykyisestä koostaan, se oli melkein täysin yhtenäinen. Mutta "melkein" on tärkeä tässä: Tiheydessä oli pieniä eroja pisteestä toiseen, joissakin maailmankaikkeuden kulmissa oli hiukan enemmän keskimääräistä ja toisissa vähän vähemmän.
Ajan myötä painovoima voi tehdä uskomattomia asioita. Kosmisen webin tapauksessa niillä keskimäärin korkeammilla tiheillä alueilla oli hieman voimakkaampi painovoima, joka houkutteli ympäristöönsä heitä, mikä teki niistä kohoumista vielä houkuttelevammat, jotka houkuttelivat enemmän naapureita jne. Ja pian.
Siirrä tätä prosessia eteenpäin miljardi vuotta, ja olet kasvanut omaan kosmiseen verkkoosi.
Universaali resepti
Se on yleiskuva: Jos haluat tehdä kosmista verkkoa, tarvitset joitain "juttuja" ja tarvitset jonkin verran painovoimaa. Mutta missä se tulee todella mielenkiintoiseksi, on yksityiskohdissa, etenkin tavaroiden yksityiskohdissa.
Erilaiset aineet rypistyvät ja muodostavat rakenteita eri tavalla. Jotkut aineet saattavat takertua itsensä sisään tai joutua poistamaan ylimääräinen lämpö ennen kuin ne voivat hiipua, kun taas toiset voivat helposti liittyä lähimpään puolueeseen. Tietyn tyyppiset aineet liikkuvat hitaasti niin, että painovoima voi tehdä tehokkaasti työnsä, kun taas muun tyyppiset aineet ovat niin laivastollisia ja ketteriä, että painovoima tuskin voi saada heikkoa käsiään siihen.
Lyhyesti sanottuna, jos muutat maailmankaikkeuden ainesosia, saat eri näköisiä kosmisia verkkoja. Yhdessä skenaariossa voi olla enemmän rikkaita klustereita ja vähemmän tyhjiä tyhjiä verrattuna toiseen skenaarioon, jossa tyhjät tyhjät hallitsevat kokonaan kosmoshistorian varhaisessa vaiheessa, jolloin rypäleitä ei muodostu ollenkaan.
Yksi erityisen kiehtova ainesosa on neutriino, edellä mainittu aavemainen hiukkanen. Koska neutriino on niin kevyt, se kulkee melkein valon nopeudella. Tämän seurauksena "tasoitetaan" maailmankaikkeuden rakenteet: Painovoima ei yksinkertaisesti pysty suorittamaan työtään ja vetämään neutriinoja pieniin pieniin palloihin. Joten, jos lisäät liian paljon neutriinoja maailmankaikkeuteen, niin sellaiset asiat kuin kokonaiset galaksit lopulta eivät pysty muodostamaan varhaisessa maailmankaikkeudessa.
Pieniä ongelmia, suuria ratkaisuja
Tämä tarkoittaa, että voimme käyttää itse kosmista verkkoa fysiikan jättiläislaboratoriona tutkia neutriinoja. Tutkimalla rainan rakennetta ja hajottamalla se sen eri osiin (klustereihin, tyhjiöihin ja niin edelleen), saadaan yllättävän suora kahva neutriinoilla.
Siellä on vain yksi niggling-ongelma: neutriinot eivät ole ainoita ainesosia maailmankaikkeudessa. Yksi merkittävä hämmentävä tekijä on tumman energian läsnäolo, salaperäinen voima, joka repi maailmankaikkeuden toisistaan. Ja kuten arvata voitte, tämä vaikuttaa kosmiseen verkkoon merkittävällä tavalla. On tyypillisesti vaikeaa rakentaa suuria rakenteita nopeasti laajenevaan maailmankaikkeuteen. Ja jos tarkastellaan vain yhtä osaa kosmisesta verkosta (sanovat esimerkiksi galaksiklusterit), sinulla ei ehkä ole tarpeeksi tietoa kertoakseen eroa neutriino- ja pimeäenergiavaikutusten välillä - nämä molemmat estävät " juttuja."
Äskettäisessä online-julkaisussa, joka julkaistiin arXiv-esikarttalehdessä, tähtitieteilijät selittivät, miten tulevat galaksitutkimukset, kuten Euroopan avaruusjärjestön Euclid-tehtävä, auttavat paljastamaan sekä neutriino- että pimeäenergian ominaisuudet. Euclid-satelliitti kartoittaa miljoonien galaksien sijainnit maalaten erittäin laajan muotokuvan kosmisesta verkosta. Ja siinä rakenteessa on vihjeitä maailmankaikkeuden historialle, menneisyydelle, joka riippuu sen aineosista, kuten neutriinoista ja tummasta energiasta.
Tarkastelemalla yhdistelmää maailmankaikkeuden tiheimmistä, vilkkaimmista paikoista (galaksiklusterit) ja yksinäisimmistä, tyhjimmistä paikoista kosmossa (tyhjät alueet), saatamme saada vastauksia sekä tumman energian luonteeseen (joka julistaa ajanjakson upouusi fysiikan tuntemus) ja neutriinojen luonne (jotka tekevät täsmälleen saman asian). Saatamme esimerkiksi oppia, että tumma energia huononee tai paranee tai ehkä jopa on vain sama. Ja voimme oppia kuinka massiiviset neutriinot ovat tai kuinka moni heistä leijuu maailmankaikkeuden ympäri. Mutta ei väliä mitä, on vaikea sanoa, mitä saamme, kunnes todella katsomme.
Paul M. Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopisto, isäntä Kysy avaruusasemalta ja Avaruusradio, ja kirjoittaja Paikkasi maailmankaikkeudessa.
