Unser Universum ist unglaublich groß, meist mysteriös und im Allgemeinen verwirrend. Wir sind umgeben von verwirrenden Fragen auf großen und kleinen Skalen. Wir haben sicherlich einige Antworten, wie das Standardmodell der Teilchenphysik, die uns (zumindest den Physikern) helfen, grundlegende subatomare Wechselwirkungen zu verstehen, und die Urknalltheorie, wie das Universum begann, die eine kosmische Geschichte über die Vergangenheit zusammenwebt 13,8 Milliarden Jahre.
Trotz der Erfolge dieser Modelle haben wir noch viel zu tun. Was in aller Welt ist zum Beispiel dunkle Energie, der Name, den wir der treibenden Kraft hinter der beobachteten beschleunigten Expansion des Universums geben? Und was genau sind Neutrinos am anderen Ende der Skala, diese gespenstischen kleinen Teilchen, die durch den Kosmos rasen und zoomen, ohne mit irgendetwas zu interagieren?
Auf den ersten Blick scheinen sich diese beiden Fragen in Bezug auf Umfang und Art und alles, was wir annehmen könnten, dass wir sie beantworten müssen, so radikal zu unterscheiden.
Es könnte jedoch sein, dass ein einziges Experiment Antworten auf beide Fragen liefert. Ein Teleskop der Europäischen Weltraumorganisation soll das dunkle Universum abbilden - in einer Zeit, die etwa 10 Milliarden Jahre zurückliegt, als vermutlich dunkle Energie wütete. Lass uns eintauchen.
Geh groß und geh nach Hause
Um uns zu vertiefen, müssen wir nachschlagen. Aufstieg. Auf Skalen, die viel, viel größer sind als Galaxien (wir sprechen hier von Milliarden von Lichtjahren, Leute), wo unser Universum einem riesigen, leuchtenden Spinnennetz ähnelt. Nur dass dieses Spinnennetz nicht aus Seide besteht, sondern aus Galaxien. Lange, dünne Galaxienranken verbinden dichte, klumpige Knoten. Diese Knoten sind die Cluster, geschäftige Städte der Galaxien und heißes, reiches Gas - riesige, breite Mauern von Tausenden und Abertausenden von Galaxien. Und zwischen diesen Strukturen, die den größten Teil des Volumens im Universum einnehmen, befinden sich die großen kosmischen Hohlräume, himmlische Wüsten, die mit nicht viel gefüllt sind.
Es heißt das kosmische Netz und ist das Größte im Universum.
Dieses kosmische Netz wurde im Laufe von Milliarden von Jahren langsam von der schwächsten Kraft der Natur aufgebaut: der Schwerkraft. Vor langer Zeit, als das Universum der kleinste Bruchteil seiner gegenwärtigen Größe war, war es fast vollkommen einheitlich. Aber das "fast" ist hier wichtig: Es gab winzige Unterschiede in der Dichte von Punkt zu Punkt, wobei einige Ecken des Universums etwas überfüllter als der Durchschnitt waren und andere etwas weniger.
Mit der Zeit kann die Schwerkraft erstaunliche Dinge bewirken. Im Fall unseres kosmischen Netzes hatten diese etwas überdurchschnittlich dichten Regionen eine etwas stärkere Schwerkraft, die ihre Umgebung anzog, was diese Klumpen noch attraktiver machte, mehr Nachbarn anzog und so weiter und so fort demnächst.
Spulen Sie diesen Prozess eine Milliarde Jahre vor und Sie haben Ihr eigenes kosmisches Netz aufgebaut.
Ein universelles Rezept
Das ist das allgemeine Bild: Um ein kosmisches Netz zu erstellen, braucht man etwas "Zeug" und etwas Schwerkraft. Aber wo es wirklich interessant wird, sind die Details, insbesondere die Details des Materials.
Verschiedene Arten von Materie verklumpen und bilden unterschiedliche Strukturen. Einige Arten von Materie können sich in sich selbst verwickeln oder müssen überschüssige Wärme abführen, bevor sie erstarren können, während andere sich leicht der nächsten Partei anschließen können. Bestimmte Arten von Materie bewegen sich langsam genug, damit die Schwerkraft ihre Arbeit effizient erledigen kann, während andere Arten von Materie so flott und flink sind, dass die Schwerkraft kaum ihre schwachen Hände darauf bekommen kann.
Kurz gesagt, wenn Sie die Bestandteile des Universums ändern, erhalten Sie anders aussehende kosmische Netze. In einem Szenario gibt es möglicherweise mehr reiche Cluster und weniger leere Hohlräume als in einem anderen Szenario, in dem die Hohlräume zu Beginn der Geschichte des Kosmos vollständig dominieren und sich überhaupt keine Cluster bilden.
Ein besonders faszinierender Bestandteil ist das Neutrino, das oben erwähnte gespenstische Teilchen. Da das Neutrino so leicht ist, bewegt es sich fast mit Lichtgeschwindigkeit. Dies hat den Effekt, dass Strukturen im Universum "geglättet" werden: Die Schwerkraft kann einfach nicht ihre Arbeit tun und Neutrinos in kompakte kleine Kugeln ziehen. Wenn Sie dem Universum also zu viele Neutrinos hinzufügen, können sich Dinge wie ganze Galaxien im frühen Universum nicht bilden.
Kleine Probleme, große Lösungen
Dies bedeutet, dass wir das kosmische Netz selbst als riesiges Labor der Physik nutzen können, um Neutrinos zu untersuchen. Indem wir die Struktur des Netzes untersuchen und es in seine verschiedenen Teile (Cluster, Hohlräume usw.) zerlegen, können wir Neutrinos überraschend direkt in den Griff bekommen.
Es gibt nur ein Problem: Neutrinos sind nicht die einzige Zutat im Universum. Ein wichtiger Störfaktor ist das Vorhandensein dunkler Energie, der mysteriösen Kraft, die unser Universum auseinander reißt. Und wie Sie vielleicht vermutet haben, wirkt sich dies in erheblichem Maße auf das kosmische Netz aus. Schließlich ist es schwierig, große Strukturen in einem schnell wachsenden Universum aufzubauen. Und wenn Sie nur einen Teil des kosmischen Netzes betrachten (z. B. die Galaxienhaufen), haben Sie möglicherweise nicht genügend Informationen, um den Unterschied zwischen Neutrinoeffekten und Dunklenergieeffekten zu erkennen - beides behindert die Verklumpung von " Sachen."
In einem kürzlich online im Preprint-Journal arXiv veröffentlichten Artikel erklärten Astronomen, wie bevorstehende Galaxienuntersuchungen wie die Euklid-Mission der Europäischen Weltraumorganisation dazu beitragen werden, sowohl Neutrino- als auch Dunkle-Energie-Eigenschaften aufzudecken. Der Euklid-Satellit wird die Standorte von Millionen von Galaxien kartieren und ein sehr breites Porträt des kosmischen Netzes zeichnen. Und innerhalb dieser Struktur liegen Hinweise auf die Geschichte unseres Universums, eine Vergangenheit, die von seinen Inhaltsstoffen wie Neutrinos und dunkler Energie abhängt.
Wenn wir uns eine Kombination aus den dichtesten und geschäftigsten Orten im Universum (den Galaxienhaufen) und den einsamsten, leersten Orten im Kosmos (den Hohlräumen) ansehen, erhalten wir möglicherweise Antworten auf die Natur der dunklen Energie (die eine Ära einläuten wird) von brandneuen physikalischen Kenntnissen) und der Natur von Neutrinos (die genau das Gleiche tun). Wir könnten zum Beispiel lernen, dass dunkle Energie schlechter oder besser wird oder vielleicht sogar gleich ist. Und wir könnten lernen, wie massiv Neutrinos sind oder wie viele von ihnen im Universum herumflitzen. Aber egal was passiert, es ist schwer zu sagen, was wir bekommen, bis wir tatsächlich hinschauen.
Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University, Gastgeber von Fragen Sie einen Raumfahrer und Weltraumradiound Autor von Dein Platz im Universum.
