Наш Всесвіт неймовірно обширний, здебільшого загадковий і загалом заплутаний. Нас оточують непрості запитання в масштабах як великих, так і малих. Ми, безумовно, маємо відповіді, як, наприклад, Стандартна модель фізики частинок, яка допомагає нам (принаймні фізикам) зрозуміти фундаментальні субатомні взаємодії та теорію Великого вибуху про те, як почався Всесвіт, який поєднує разом космічну історію за минуле 13,8 мільярда років.
Але, незважаючи на успіхи цих моделей, нам ще належить зробити багато роботи. Наприклад, що у світі - це темна енергія, яку ми назвали рушійною силою спостережуваного прискореного розширення Всесвіту? А на протилежному кінці шкали, що саме являють собою нейтрино, ті примарні маленькі частинки, які блискавки і масштабування через Космос, майже не взаємодіючи ні з чим?
На перший погляд, ці два питання здаються настільки кардинально різними з точки зору масштабу та характеру, і, ну, все, на що ми можемо припустити, що нам потрібно відповісти на них.
Але можливо, що один експеримент міг би виявити відповіді обом. Телескоп Європейського космічного агентства встановлений для картографування темного Всесвіту - дивлячись далеко за часом, десь 10 мільярдів років, коли темна енергія, як вважається, вирує. Давайте копаємось.
Ідіть великим і йдіть додому
Щоб копатись, нам потрібно подивитися. Аж до. На масштабах, набагато більших за галактики (ми говоримо про мільярди світлових років, люди), де наш Всесвіт нагадує величезну, сяючу павутину. Окрім того, ця павутина не з шовку, а з галактик. Довгі тонкі вусики галактик, що з'єднують щільні, незграбні вузли. Ці вузли - це скупчення, метушливі міста галактик і гарячий, багатий газ - величезні, широкі стіни тисяч і тисяч галактик. І між цими структурами, що займають більшу частину об’єму у Всесвіті, знаходяться великі космічні порожнечі, небесні пустелі, заповнені зовсім не чим.
Його називають космічною павутиною, і це найбільше у Всесвіті.
Ця космічна павутина повільно будувалася протягом мільярдів років найслабшою в природі силою: гравітацією. Зворотній час, коли Всесвіт була найдрібнішою частиною його нинішніх розмірів, вона була майже ідеально рівномірною. Але "майже" тут важливо: Існували крихітні зміни щільності від місця до місця, де деякі куточки Всесвіту були трохи більш переповнені, ніж в середньому, а інші трохи менше.
З часом гравітація може робити дивовижні речі. Що стосується нашої космічної павутини, у тих дещо вищих за середнє густих регіонів гравітація була дещо сильнішою, привертаючи до себе їх оточення, що робило ці скупчення ще привабливішими, що приваблювало більше сусідів тощо. так далі.
Швидко просувайте цей процес мільярд років, і ви виростили власну космічну павутину.
Універсальний рецепт
Ось загальна картина: щоб зробити космічну павутину, вам потрібні певні «речі», і вам потрібна певна гравітація. Але де це стає дійсно цікавим - це деталі, особливо деталі цього матеріалу.
Різні види матерії будуть збиватися і утворювати структури по-різному. Деякі види матерії можуть заплутатися в собі або потрібно видалити зайве тепло, перш ніж вони зможуть застигати, а інші можуть охоче приєднатися до найближчої партії. Деякі типи матерії рухаються досить повільно, щоб гравітація могла ефективно виконувати свою роботу, тоді як інші види матерії настільки швидкоплинні та спритні, що гравітація ледве може дістати свої слабкі руки.
Коротше кажучи, якщо змінити інгредієнти Всесвіту, ви отримаєте різні на вигляд космічні павутини. За одним сценарієм можуть бути більш насичені скупчення та менше порожніх порожнеч порівняно з іншим сценарієм, коли порожнечі повністю домінують на початку історії космосу, без скупчень.
Одним із особливо інтригуючих інгредієнтів є нейтрино, згадана вище примарна частинка. Оскільки нейтрино таке світло, воно рухається майже зі швидкістю світла. Це призводить до «згладжування» структур у Всесвіті: Гравітація просто не може виконати свою роботу і тягнути нейтрино в компактні маленькі кульки. Отже, якщо до Всесвіту додати занадто багато нейтрино, такі речі, як цілі галактики, в кінцевому підсумку не зможуть сформуватися.
Крихітні проблеми, великі рішення
Це означає, що ми можемо використовувати космічну павутину як гігантську лабораторію фізики для вивчення нейтрино. Вивчаючи структуру павутини і розбиваючи її на різні її частини (скупчення, порожнечі тощо), ми можемо отримати напрочуд пряму обробку нейтрино.
Існує лише одна проблема, що нігтять: Нейтрино - не єдиний інгредієнт у Всесвіті. Одним з головних заплутаних факторів є наявність темної енергії, таємничої сили, яка розриває наш Всесвіт. І як ви могли підозрювати, це впливає на космічну павутину серйозно. Зрештою, важко будувати великі структури у швидко розширюваному Всесвіті. І якщо ви подивитесь лише на одну частину космічної павутини (скажімо, наприклад, галактичні скупчення), то у вас може бути недостатньо інформації, щоб сказати різницю між ефектами нейтрино та ефектами темної енергії - обидва вони перешкоджають скупченню " речі ».
У недавньому документі, опублікованому в Інтернеті в журналі препринт arXiv, астрономи пояснили, як майбутні дослідження галактик, як місія Євкліда Європейського космічного агентства, допоможуть розкрити властивості нейтрино та темної енергії. Супутник Евкліда відобразить розташування мільйонів галактик, намалювавши дуже широкий портрет космічної павутини. І всередині цієї структури лежать натяки на історію нашого Всесвіту, минуле, яке залежить від його інгредієнтів, як нейтрино і темна енергія.
Дивлячись на поєднання найгустіших, найзайнятіших місць у Всесвіті (скупчення галактик) та найолітніших, найпотужніших місць у космосі (порожнеч), ми можемо отримати відповіді як про природу темної енергії (що віщує епоху нових знань з фізики) та природи нейтрино (що буде робити те саме). Ми можемо навчитися, наприклад, що темна енергія погіршується, або стає кращою, а може бути навіть просто такою ж. І ми можемо дізнатися, наскільки масивними є нейтрино або скільки з них мерехтить навколо Всесвіту. Але незважаючи ні на що, важко сказати, що ми отримаємо, поки насправді не подивимося.
Пол М. Саттер є астрофізиком в Державний університет штату Огайо, господар Запитайте космонавта і Космічне радіо, і автор Ваше місце у Всесвіті.
