Ons universum is ongelooflijk groot, meestal mysterieus en over het algemeen verwarrend. We worden omringd door verwarrende vragen op grote en kleine schalen. We hebben zeker enkele antwoorden, zoals het standaardmodel van deeltjesfysica, die ons (natuurkundigen in ieder geval) helpen om fundamentele subatomaire interacties te begrijpen, en de oerknaltheorie van hoe het universum begon, die een kosmisch verhaal over het verleden samenbrengt 13,8 miljard jaar.
Maar ondanks de successen van deze modellen, is er nog genoeg werk aan de winkel. Wat is bijvoorbeeld donkere energie in de wereld, de naam die we geven aan de drijvende kracht achter de waargenomen versnelde uitdijing van het universum? En aan de andere kant van de schaal, wat zijn precies neutrino's, die spookachtige kleine deeltjes die door de kosmos zippen en zoemen zonder nauwelijks iets te interageren?
Op het eerste gezicht lijken deze twee vragen zo radicaal verschillend in termen van schaal en aard en, nou ja, alles waarvan we aannemen dat we ze nodig hebben om ze te beantwoorden.
Maar het kan zijn dat een enkel experiment voor beide antwoorden kan opleveren. Een telescoop van het Europees Ruimteagentschap is ingesteld om het donkere universum in kaart te brengen - zo ver terug in de tijd, zo'n 10 miljard jaar, waarin wordt aangenomen dat donkere energie woedt. Laten we ingaan.
Ga groot en ga naar huis
Om in te graven, moeten we omhoog kijken. Helemaal naar boven. Op schalen veel, veel groter dan sterrenstelsels (we hebben het hier miljarden lichtjaren, mensen), waar ons universum lijkt op een enorm, gloeiend spinnenweb. Alleen is dit spinnenweb niet gemaakt van zijde, maar van sterrenstelsels. Lange, dunne strengen van sterrenstelsels die dichte, klonterige knooppunten met elkaar verbinden. Die knooppunten zijn de clusters, bruisende steden van sterrenstelsels en heet, rijk gas - enorme, brede muren van duizenden en duizenden sterrenstelsels. En tussen deze structuren, die het grootste deel van het volume in het universum in beslag nemen, bevinden zich de grote kosmische holtes, hemelse woestijnen gevuld met helemaal niets.
Het heet het kosmische web en het is het grootste in het universum.
Dit kosmische web is in de loop van miljarden jaren langzaam opgebouwd door de zwakste kracht in de natuur: zwaartekracht. Lang geleden, toen het universum de kleinste fractie was van zijn huidige omvang, was het bijna perfect uniform. Maar het 'bijna' is hier belangrijk: er waren kleine variaties in dichtheid van plek tot plek, waarbij sommige hoeken van het universum een beetje drukker waren dan gemiddeld en andere iets minder.
Met de tijd kan de zwaartekracht verbazingwekkende dingen doen. In het geval van ons kosmische web hadden die iets hoger dan gemiddelde dichte gebieden een zwaartekracht die een beetje sterker was, waardoor hun omgeving naar hen werd aangetrokken, waardoor die klonten nog aantrekkelijker werden, wat meer buren aantrok, enzovoort en spoedig.
Spoel dit proces een miljard jaar vooruit en je hebt je eigen kosmische web gegroeid.
Een universeel recept
Dat is het algemene plaatje: om een kosmisch web te maken, heb je wat "spullen" nodig, en wat zwaartekracht. Maar waar het echt interessant wordt, zijn de details, vooral de details van de dingen.
Verschillende soorten materie zullen klonteren en anders structuren vormen. Sommige soorten materie kunnen in de knoop raken of moeten overtollige warmte verwijderen voordat ze kunnen stollen, terwijl andere zich gemakkelijk bij de dichtstbijzijnde partij voegen. Bepaalde soorten materie bewegen langzaam genoeg zodat de zwaartekracht zijn werk efficiënt kan doen, terwijl andere soorten materie zo vloeiend en wendbaar zijn dat de zwaartekracht er nauwelijks haar zwakke handen op kan krijgen.
Kortom, als je de ingrediënten van het universum verandert, krijg je anders ogende kosmische webben. In het ene scenario zijn er mogelijk rijkere clusters en minder lege leegtes in vergelijking met een ander scenario, waarin de leegtes al vroeg in de geschiedenis van de kosmos volledig domineren, zonder dat er zich helemaal geen clusters vormen.
Een bijzonder intrigerend ingrediënt is de neutrino, het eerder genoemde spookachtige deeltje. Omdat de neutrino zo licht is, reist hij met bijna de lichtsnelheid. Dit heeft het effect van het "gladstrijken" van structuren in het universum: zwaartekracht kan simpelweg zijn werk niet doen en neutrino's in compacte balletjes trekken. Dus als je te veel neutrino's aan het universum toevoegt, zullen dingen als hele sterrenstelsels zich uiteindelijk niet kunnen vormen in het vroege universum.
Kleine problemen, grote oplossingen
Dit betekent dat we het kosmische web zelf kunnen gebruiken als een gigantisch natuurkundig laboratorium om neutrino's te bestuderen. Door de structuur van het web te onderzoeken en op te splitsen in de verschillende delen (clusters, holtes, enzovoort), kunnen we een verrassend directe greep krijgen op neutrino's.
Er is maar één probleempje: Neutrino's zijn niet het enige ingrediënt in het universum. Een belangrijke verwarrende factor is de aanwezigheid van donkere energie, de mysterieuze kracht die ons universum uit elkaar scheurt. En zoals je misschien al vermoedde, heeft dit een grote invloed op het kosmische web. Het is tenslotte moeilijk om grote structuren te bouwen in een snel uitbreidend universum. En als je maar naar één deel van het kosmische web kijkt (bijvoorbeeld de clusters van sterrenstelsels), dan heb je misschien niet genoeg informatie om het verschil te zien tussen neutrino-effecten en donkere energie-effecten - die beide het samenklonteren van " dingen. "
In een recent artikel dat online is gepubliceerd in het preprint-tijdschrift arXiv, legden astronomen uit hoe aankomende melkwegonderzoeken, zoals de Euclid-missie van de European Space Agency, zowel neutrino- als donkere-energie-eigenschappen zullen helpen ontdekken. De Euclid-satelliet brengt de locaties van miljoenen sterrenstelsels in kaart en schetst een zeer breed portret van het kosmische web. En binnen die structuur liggen hints naar de geschiedenis van ons universum, een verleden dat afhankelijk is van de ingrediënten ervan, zoals neutrino's en donkere energie.
Door te kijken naar een combinatie van de dichtste, drukste plekken in het universum (de sterrenstelsels) en de eenzaamste, leegste plekken in de kosmos (de lege ruimtes), kunnen we antwoorden krijgen op zowel de aard van donkere energie (die een tijdperk zal inluiden). van gloednieuwe fysische kennis) en de aard van neutrino's (die precies hetzelfde zullen doen). We kunnen bijvoorbeeld leren dat donkere energie erger wordt of beter wordt, of misschien zelfs gewoon hetzelfde is. En we kunnen leren hoe massieve neutrino's zijn of hoeveel er door het universum fladderen. Maar wat er ook gebeurt, het is moeilijk te zeggen wat we zullen krijgen totdat we echt kijken.
Paul M. Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van Vraag een Spaceman en Space Radio, en auteur van Jouw plaats in het universum.
