Vores univers er utroligt enormt, mest mystisk og generelt forvirrende. Vi er omgivet af forvirrende spørgsmål om skalaer både store og små. Vi har nogle svar, med sikkerhed, som standardmodellen for partikelfysik, der hjælper os (i det mindste fysikere) med at forstå grundlæggende subatomiske interaktioner og Big Bang-teorien om, hvordan universet begyndte, som væver sammen en kosmisk historie i fortiden 13,8 milliarder år.
Men trods succeserne med disse modeller har vi stadig masser af arbejde at gøre. For eksempel, hvad i verden er mørk energi, det navn, vi giver drivkraften bag den observerede accelererede udvidelse af universet? Og i den modsatte ende af skalaen, hvad er egentlig neutrinoer, disse spøgelsesrige små partikler, der lynlåser og zoomer gennem kosmos uden næppe at interagere med noget?
Ved første øjekast synes disse to spørgsmål så radikalt forskellige med hensyn til skala og art og godt alt hvad vi må antage, at vi har brug for at besvare dem.
Men det kan være, at et enkelt eksperiment kunne afsløre svar på begge. Et europæisk rumfartsselskabs teleskop er indstillet til at kortlægge det mørke univers - ser så langt tilbage i tiden, omkring 10 milliarder år, hvor mørk energi menes at have raset. Lad os grave os ind.
Gå stort og gå hjem
For at grave i, er vi nødt til at slå op. Op. På skalaer meget, meget større end galakser (vi taler milliarder af lysår her, folkens), hvor vores univers ligner et stort, glødende edderkoppespind. Bortset fra, denne edderkoppens væv er ikke lavet af silke, men af galakser. Lange, tynde fliser af galakser, der forbinder tætte, klumpede knuder. Disse knudepunkter er klynger, travle byer i galakser og varm, rig gas - enorme, brede vægge i tusinder over tusinder af galakser. Og mellem disse strukturer, der optager det meste af volumet i universet, er de store kosmiske hulrum, himmelske ørkener fyldt med intet meget overhovedet.
Det kaldes den kosmiske web, og det er den største ting i universet.
Denne kosmiske bane blev langsomt konstrueret i løbet af milliarder af år af naturens svageste kraft: tyngdekraften. Vejen tilbage, da universet var den mindste brøkdel af dets nuværende størrelse, var det næsten perfekt ensartet. Men det "næsten" er vigtigt her: Der var små variationer i tæthed fra sted til sted, hvor nogle hjørner af universet var lidt mere overfyldte end gennemsnittet og andre lidt mindre.
Med tiden kan tyngdekraften gøre fantastiske ting. Når det gælder vores kosmiske web, havde de lidt højere end gennemsnitlige tætte områder tyngdekraften, der var lidt stærkere, og tiltrukket deres omgivelser til dem, hvilket gjorde disse klumper endnu mere attraktive, som tiltrakkede flere naboer, og så videre og snart.
Spol denne proces frem en milliard år, og du har vokset dit helt eget kosmiske web.
En universel opskrift
Det er det generelle billede: For at lave en kosmisk web, skal du bruge nogle "ting", og du har brug for noget tyngdekraft. Men hvor det bliver virkelig interessant er det i detaljerne, især detaljerne om de ting.
Forskellige slags stof vil klumpe sig sammen og danne strukturer forskelligt. Nogle former for stof kan trænge ind i sig selv eller være nødt til at fjerne overskydende varme, før de kan trække sig sammen, mens andre måske let deltager i den nærmeste fest. Visse typer stof bevæger sig langsomt, at tyngdekraften effektivt kan udføre sit arbejde, mens andre slags stoffer er så flåde og kvikke, at tyngdekraften næppe kan få sine svage hænder på den.
Kort sagt, hvis du ændrer ingredienserne i universet, får du forskellige kosmiske webs. I et scenarie kan der være mere rige klynger og færre tomme hulrum sammenlignet med et andet scenarie, hvor hulrummet totalt dominerer tidligt i kosmoshistorie, uden at der overhovedet dannes klynger.
En særlig spændende ingrediens er neutrino, den førnævnte spøgelsespartikel. Da neutrinoen er så let, bevæger den sig med næsten lysets hastighed. Dette har effekten af at "udjævne" strukturer i universet: Tyngdekraften kan simpelthen ikke gøre sit arbejde og trække neutrinoer i kompakte små bolde. Så hvis du tilføjer for mange neutrinoer til universet, ender ting som hele galakser ikke med at blive formet i det tidlige univers.
Lille problemer, store løsninger
Dette betyder, at vi kan bruge den kosmiske web i sig selv som et kæmpe laboratorium for fysik til at studere neutrinoer. Ved at undersøge strukturen på nettet og opdele det i dets forskellige dele (klynger, hulrum osv.), Kan vi få et overraskende direkte greb om neutrinoer.
Der er kun et fnise problem: Neutrinoer er ikke den eneste ingrediens i universet. En vigtig forvirrende faktor er tilstedeværelsen af mørk energi, den mystiske kraft, der ripper vores univers fra hinanden. Og som du måske har mistanke om, påvirker dette det kosmiske web på en større måde. Det er trods alt slags svært at opbygge store strukturer i et hurtigt ekspanderende univers. Og hvis du kun ser på en del af den kosmiske bane (sig f.eks. Galakse-klyngerne), har du måske ikke nok information til at fortælle forskellen mellem neutrino-effekter og mørke energi-effekter - som begge hindrer klumpningen af " ting og sager."
I et nyligt papir, der blev offentliggjort online i preprint-tidsskriftet arXiv, forklarede astronomer, hvordan kommende galakseundersøgelser, ligesom Det Europæiske Rumorganisations Euclid-mission, vil hjælpe med at afdække både neutrino- og mørkeenergiegenskaber. Euclid-satellitten vil kortlægge placeringen af millioner af galakser og male et meget bredt portræt af den kosmiske web. Og inden for denne struktur ligger der antydninger til vores universes historie, en fortid, der afhænger af dens ingredienser, som neutrinoer og mørk energi.
Ved at se på en kombination af de tætteste, travleste steder i universet (galakse-klyngerne) og de ensomme, tomeste steder i kosmos (hulrummet), kan vi muligvis få svar på både den mørke energis natur (som vil indlede en æra af splinterny fysikviden) og neutrinoernes karakter (som vil gøre nøjagtigt den samme ting). Vi lærer måske for eksempel, at mørk energi bliver værre, eller bliver bedre, eller måske endda bare at være den samme. Og vi lærer måske, hvor massive neutrinoer er, eller hvor mange af dem der fløj rundt i universet. Men uanset hvad, er det svært at fortælle, hvad vi får, indtil vi faktisk ser ud.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vært for Spørg en Spaceman og Space Radio, og forfatter af Dit sted i universet.
