Наша вселенная невероятно обширна, в основном таинственна и в целом сбивает с толку. Мы окружены непонятными вопросами на масштабах, больших и малых. У нас есть некоторые ответы, как, например, Стандартная модель физики элементарных частиц, которая помогает нам (по крайней мере, физикам) понять фундаментальные субатомные взаимодействия, и теория Большого взрыва о том, как возникла Вселенная, которая сплетает вместе космическую историю прошлого. 13,8 миллиарда лет.
Но, несмотря на успехи этих моделей, у нас еще много работы. Например, что в мире есть темная энергия, название, которое мы даем движущей силе наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной? И на противоположном конце шкалы, что именно представляют собой нейтрино, те призрачные маленькие частицы, которые проникают в космос и перемещаются по нему, почти не взаимодействуя ни с чем?
На первый взгляд, эти два вопроса кажутся настолько радикально разными с точки зрения масштаба и характера, а также всего того, что мы можем предположить, что нам нужно ответить на них.
Но может случиться так, что один эксперимент может дать ответы на оба вопроса. Телескоп Европейского космического агентства призван составить карту темной вселенной - оглядываясь назад, примерно на 10 миллиардов лет, когда считается, что темная энергия бушует. Давайте копаться в.
Иди большой и иди домой
Чтобы покопаться, нам нужно посмотреть вверх. Путь вверх. Масштабы намного, намного больше, чем у галактик (мы говорим, миллиарды световых лет здесь, люди), где наша вселенная напоминает огромную, пылающую паутину. За исключением того, что паутина сделана не из шелка, а из галактик. Длинные тонкие усики галактик, соединяющие плотные комковатые узлы. Этими узлами являются скопления, шумные города галактик и горячего, богатого газа - огромные, широкие стены тысяч и тысяч галактик. И между этими структурами, занимающими большую часть объема во вселенной, находятся огромные космические пустоты, небесные пустыни, почти ничего не заполненные.
Это называется космическая сеть, и это самая большая вещь во вселенной.
Эта космическая сеть медленно создавалась в течение миллиардов лет самой слабой силой в природе: гравитацией. В далеком прошлом, когда вселенная составляла крошечную часть ее нынешнего размера, она была почти идеально однородной. Но здесь «почти» важно: были небольшие изменения плотности от точки к точке, причем некоторые уголки вселенной были немного более переполнены, чем в среднем, а другие - немного меньше.
Со временем гравитация может делать удивительные вещи. В случае нашей космической паутины эти плотные области немного выше среднего имели гравитацию, которая была немного сильнее, притягивая к себе их окружение, что делало эти скопления еще более привлекательными, что привлекало больше соседей, и так далее, и скоро.
Ускорьте этот процесс на миллиард лет, и вы вырастите свою собственную космическую сеть.
Универсальный рецепт
Это общая картина: чтобы создать космическую паутину, вам нужны «вещи» и гравитация. Но где это действительно интересно - в деталях, особенно в деталях.
Различные виды материи будут складываться и формировать структуры по-разному. Некоторые виды материи могут запутаться в самих себе или должны удалить избыточное тепло, прежде чем они смогут застыть, в то время как другие могут легко присоединиться к ближайшей группе. Определенные типы материи движутся достаточно медленно, чтобы гравитация могла эффективно выполнять свою работу, в то время как другие виды материи настолько быстры и подвижны, что гравитация едва может взять на себя ее слабые руки.
Короче говоря, если вы измените ингредиенты вселенной, вы получите космические сети, которые выглядят по-разному. В одном сценарии может быть больше богатых скоплений и меньше пустых пустот по сравнению с другим сценарием, в котором пустоты полностью доминируют в начале истории космоса, при этом скопления вообще не образуются.
Одним особенно интригующим ингредиентом является нейтрино, вышеупомянутая призрачная частица. Поскольку нейтрино очень легкое, оно движется почти со скоростью света. Это имеет эффект «сглаживания» структур во вселенной: гравитация просто не может выполнять свою работу и вытягивать нейтрино в компактные маленькие шарики. Итак, если вы добавите слишком много нейтрино во вселенную, такие вещи, как целые галактики, в конечном итоге не смогут сформироваться в ранней вселенной.
Крошечные проблемы, большие решения
Это означает, что мы можем использовать космическую сеть как гигантскую физическую лабораторию для изучения нейтрино. Исследуя структуру сети и разбивая ее на различные части (кластеры, пустоты и т. Д.), Мы можем получить неожиданно прямое управление нейтрино.
Есть только одна проблема: нейтрино - не единственный ингредиент во вселенной. Одним из главных факторов, вызывающих смущение, является присутствие темной энергии, таинственной силы, которая разрывает нашу вселенную. И, как вы, возможно, подозревали, это серьезно влияет на космическую сеть. В конце концов, сложно строить большие структуры в быстро расширяющейся вселенной. И если вы посмотрите только на одну часть космической сети (скажем, например, на скопления галактик), то у вас может не хватить информации, чтобы определить разницу между эффектами нейтрино и эффектами темной энергии, которые препятствуют скоплению " вещи «.
В недавней статье, опубликованной онлайн в журнале препринтов arXiv, астрономы объяснили, как предстоящие исследования галактик, такие как миссия Европейского космического агентства Евклид, помогут раскрыть свойства как нейтрино, так и темной энергии. Спутник Евклид нанесет на карту местоположения миллионов галактик, нарисовав очень широкий портрет космической сети. И внутри этой структуры лежат намеки на историю нашей вселенной, прошлое, которое зависит от ее компонентов, таких как нейтрино и темная энергия.
Глядя на комбинацию самых плотных и загруженных мест во вселенной (скопления галактик) и самых одиноких и пустых мест в космосе (пустоты), мы можем получить ответы как на природу темной энергии (которая откроет эру) совершенно новые физические знания) и природа нейтрино (которые будут делать то же самое). Например, мы можем узнать, что темная энергия ухудшается, или улучшается, или, может быть, даже остается неизменной. И мы могли бы узнать, насколько массивны нейтрино или сколько их летит по вселенной. Но несмотря ни на что, трудно сказать, что мы получим, пока мы на самом деле не посмотрим.
Пол М. Саттер является астрофизиком в Государственный университет Огайо, хозяин Спроси космонавта и Космическое Радиои автор Ваше место во Вселенной.
