Universet vårt er utrolig stort, for det meste mystisk og generelt forvirrende. Vi er omgitt av forvirrende spørsmål om store og små skalaer. Vi har noen svar, helt sikkert, som standardmodellen for partikkelfysikk, som hjelper oss (i det minste fysikere) å forstå grunnleggende subatomiske interaksjoner, og Big Bang-teorien om hvordan universet begynte, som vever sammen en kosmisk historie over fortiden 13,8 milliarder år.
Men til tross for suksessen til disse modellene, har vi fortsatt mye arbeid å gjøre. Hva i for eksempel er mørk energi, navnet vi gir drivkraften bak den observerte akselererte utvidelsen av universet? Og på den motsatte enden av skalaen, hva er nøytrinoer, de spøkelsesaktige små partiklene som glir og zoomer gjennom kosmos uten å knapt samhandle med noe?
Ved første øyekast virker disse to spørsmålene så radikalt forskjellige når det gjelder skala og art, og vel, alt vi kan anta at vi trenger å svare på dem.
Men det kan være at et enkelt eksperiment kan avsløre svar på begge deler. Et European Space Agency-teleskop skal kartlegge det mørke universet - ser så langt tilbake i tid, rundt 10 milliarder år, når mørk energi antas å ha rasert. La oss grave oss inn.
Gå stort og gå hjem
For å grave i, må vi slå opp. Veien opp. På skalaer mye, mye større enn galakser (vi snakker milliarder av lysår her, folkens), der universet vårt ligner et stort, glødende edderkoppnett. Bortsett fra, dette edderkoppnettet er ikke laget av silke, men av galakser. Lange, tynne grad av galakser som knytter tette, klumpete noder. Disse nodene er klyngene, travle byene i galakser og varm, rik gass - enorme, brede murer på tusenvis av tusenvis av galakser. Og mellom disse strukturene, som tar opp mesteparten av volumet i universet, er de store kosmiske hulrommene, himmelsk ørkener fylt med ikke noe særlig i det hele tatt.
Det kalles det kosmiske nettet, og det er det største i universet.
Dette kosmiske nettet ble sakte konstruert i løpet av milliarder av år av den svakeste kraften i naturen: tyngdekraften. Veien tilbake da universet var den minste brøkdel av sin nåværende størrelse, var det nesten perfekt ensartet. Men det "nesten" er viktig her: Det var små variasjoner i tetthet fra sted til sted, med noen hjørner av universet som var litt mer overfylt enn gjennomsnittet og andre litt mindre.
Med tiden kan tyngdekraften gjøre fantastiske ting. Når det gjelder vår kosmiske nett hadde de tette regionene som var litt høyere enn gjennomsnittet tyngdekraften som var litt sterkere, og trakk omgivelsene til seg, noe som gjorde de klumpene enda mer attraktive, som trakk flere naboer, og så videre og så videre.
Spol frem denne prosessen en milliard år, og du har vokst din helt egen kosmiske nett.
En universell oppskrift
Det er det generelle bildet: For å lage et kosmisk nett trenger du noen "ting", og du trenger litt tyngdekraft. Men hvor det blir veldig interessant er det i detaljene, spesielt detaljene om tingene.
Ulike typer materie vil klumpe seg sammen og danne strukturer på en annen måte. Noen slags materie kan floke inn i seg selv, eller må fjerne overflødig varme før de kan koke seg sammen, mens andre lett kan bli med på nærmeste fest. Enkelte typer materie beveger seg sakte nok til at tyngdekraften effektivt kan utføre arbeidet sitt, mens andre typer materie er så flåte og kvikk at tyngdekraften knapt kan få de svake hendene på den.
Kort sagt, hvis du endrer ingrediensene i universet, får du kosmiske nett med forskjellige utseende. I ett scenario kan det være mer rike klynger og færre tomme tomrom sammenlignet med et annet scenario, der tomrommene totalt dominerer tidlig i kosmos historie, uten at det dannes noen klynger i det hele tatt.
En spesielt spennende ingrediens er nøytrinoen, den nevnte spøkelsespartikkelen. Siden nøytrinoen er så lett, beveger den seg nesten med lysets hastighet. Dette har effekten av å "jevne ut" strukturer i universet: Tyngdekraften kan ganske enkelt ikke gjøre sitt arbeid og trekke nøytrinoer i kompakte små baller. Så hvis du legger for mange nøytrinoer til universet, ender ting som hele galakser opp med å ikke kunne danne seg i det tidlige universet.
Små problemer, store løsninger
Dette betyr at vi kan bruke selve den kosmiske nettet som et gigantisk laboratorium for fysikk for å studere nøytrinoer. Ved å undersøke strukturen på nettet og dele den ned i dens forskjellige deler (klynger, tomrom og så videre), kan vi få et overraskende direkte håndtak på nøytrinoer.
Det er bare ett knirrende problem: Nøytrinoer er ikke den eneste ingrediensen i universet. En viktig forvirrende faktor er tilstedeværelsen av mørk energi, den mystiske kraften som ripper universet vårt fra hverandre. Og som du kanskje har mistenkt, påvirker dette den kosmiske nettet på en viktig måte. Det er litt vanskelig å bygge store strukturer i et raskt ekspanderende univers. Og hvis du bare ser på en del av den kosmiske nettet (si for eksempel galakse-klyngene), kan det hende du ikke har nok informasjon til å fortelle forskjellen mellom nøytrinoeffekter og mørke energieffekter - som begge hindrer klumpen i " ting."
I en fersk artikkel publisert på nettet i preprint-tidsskriftet arXiv, forklarte astronomer hvordan kommende galakseundersøkelser, som European Space Agency's Euclid mission, vil bidra til å avdekke både nøytrino- og mørkeenergiegenskaper. Euclid-satellitten vil kartlegge plasseringene til millioner av galakser og male et veldig bredt portrett av det kosmiske nettet. Og innenfor den strukturen ligger antydninger til universets historie, en fortid som er avhengig av ingrediensene, som nøytrinoer og mørk energi.
Ved å se på en kombinasjon av de tetteste, travleste stedene i universet (galakse-klyngene) og de ensomme, tomeste stedene i kosmos (tomrommene), kan vi kanskje få svar på naturen til mørk energi (som vil innvarsle en tid av helt ny fysikkunnskap) og nøytrinoenes natur (som vil gjøre nøyaktig det samme). Vi lærer for eksempel at mørk energi blir verre, eller blir bedre, eller kanskje til og med bare å være den samme. Og vi kan lære hvor enorme nøytrinoer er, eller hvor mange av dem som flyter rundt i universet. Men uansett hva, det er vanskelig å si hva vi får til vi faktisk ser.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vert av Spør en Spaceman og Space Radio, og forfatter av Din plass i universet.
