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这次任务可以解开宇宙中两个最大的谜团

欧空局的《2015-2025年宇宙展望计划》旨在让我们对宇宙有新的理解和看法。NASA/ESA/ESO/W.Freudling(ST-ECF)

我们的宇宙是难以置信的巨大,大多是神秘的,而且通常令人困惑。我们被巨大和微小的尺度所困扰。当然,我们有一些答案,比如粒子物理的标准模型,帮助我们(至少是物理学家)理解基本的亚原子相互作用,以及宇宙起源的大爆炸理论,在过去138亿年里,它编织了一个宇宙故事。

,但尽管这些模型取得了成功,我们还有很多工作要做。例如,暗能量到底是什么,我们称之为宇宙加速膨胀背后的驱动力?而在尺度的另一端,中微子究竟是什么,那些在宇宙中不与任何东西发生相互作用而快速旋转和放大的幽灵般的小粒子?[物理学中18个最大的未解之谜]

乍一看,这两个问题在规模和性质上似乎有着天壤之别,而且,好吧,我们可能认为我们需要回答的所有问题。

但可能只有一个实验可以揭示这两个问题的答案。欧洲航天局的一架望远镜将绘制暗宇宙的地图——回溯到大约100亿年前,当时人们认为暗能量正在肆虐。让我们来挖掘。

变大,然后回家

来挖掘,我们需要查找。往上走。在尺度上比星系大得多(我们在这里谈论几十亿光年),我们的宇宙就像一个巨大的、发光的蜘蛛网。除此之外,蜘蛛网不是由丝绸制成的,而是由星系组成的。星系的细长卷须,连接密集、笨拙的节点。这些节点是群星,繁星繁茂的城市和炽热的、丰富的气体——巨大的、成千上万的星系的宽阔的墙壁。在这些结构之间,占据了宇宙的大部分体积,是巨大的宇宙空洞,充满了一无所有的宇宙沙漠。

它被称为宇宙网,它是宇宙中最大的东西。

这个宇宙网是在几十亿年的时间里,由自然界中最弱的力量:引力缓慢地建立起来的。早在宇宙是其目前大小的最小部分的时候,它几乎是完全一致的。但是“几乎”在这里是很重要的:在密度上每个点都有微小的变化,宇宙的某些角落比平均值要拥挤一点,而其他的则稍少一点。宇宙网中的

星系团。(图像信用:K. Dolag,大学StnWurtMun辰,路德维希Max MiLi大学,德国,M),“KDSPS”随着时间的推移,重力可以做惊人的事情。以我们的宇宙网为例,那些比平均密度稍高的致密区域的引力稍强一点,吸引了周围的环境,使这些团块更具吸引力,吸引了更多的邻居,等等。

将这一过程向前快速推进了10亿年,你已经成长为你自己的宇宙网。

是一个普遍的食谱

这就是一般的情况:要建立宇宙网,你需要一些“东西”,你需要一些引力。但真正有趣的是细节,尤其是材料的细节。

不同种类的材料会聚集在一起,形成不同的结构。有些物质可能缠结在自己身上,或者需要在凝结之前除去多余的热量,而另一些物质可能很容易加入最近的聚会。某些类型的物质移动得足够慢,以至于重力可以有效地工作,而其他类型的物质则是如此的迅速和灵活,以至于重力几乎无法得到它微弱的手。

简而言之,如果你改变宇宙的成分,你会得到不同的宇宙网。在一个场景中,与之相比,可能有更多的富集群和更少的空空间在另一种情况下,在宇宙历史的早期,空洞完全占据主导地位,根本没有星系团形成。[文明大爆炸:10个惊人的起源事件]

一个特别有趣的成分是中微子,即上述幽灵粒子。由于中微子是如此轻,它几乎以光速传播。这就产生了“平滑”宇宙结构的效果:重力根本无法完成它的工作,将中微子拉入致密的小球中。因此,如果你给宇宙增加了太多的中微子,那么像整个星系一样的东西最终无法在早期宇宙中形成。“微小的”小问题,大的解决方案,这意味着我们可以利用宇宙网络本身作为一个巨大的物理实验室来研究中微子。通过检查网络的结构并将其分解成不同的部分(簇、空隙等),我们可以对中微子进行令人惊讶的直接处理。

艺术家对欧几里得宇宙飞船的印象。(ESA/ATG medialab)

只有一个小问题:中微子不是宇宙中唯一的成分。一个主要的令人困惑的因素是暗能量的存在,这种神秘的力量正在撕裂我们的宇宙。正如你所怀疑的,这在很大程度上影响了宇宙网络。毕竟,在一个快速膨胀的宇宙中建造大型结构有点困难。如果你只看宇宙网络的一部分(比如说,星系团),那么你可能没有足够的信息来区分中微子效应和暗能量效应——这两种效应都阻碍了“物质”的聚集。

在最近的在线预印本杂志arXiv上发表,天文学家解释了即将进行的星系调查,如欧洲航天局的欧几里德任务,将如何有助于揭示中微子和暗能量的性质。欧几里德卫星将绘制数百万个星系的位置图,绘制宇宙地图的非常广泛的肖像。在这个结构中,暗示着我们宇宙的历史,一个依赖于它的成分的过去,比如中微子和暗能量。

通过观察宇宙中最密集、最繁忙的地方(星系团)和宇宙中最孤独、最空虚的地方(空洞)的组合,我们可能会得到暗能量的性质(这将预示着一个全新物理学知识的时代)和中微子的性质(这将做完全相同的事情)的答案。例如,我们可能会了解到,暗能量正在变得越来越差,或者越来越好,甚至可能只是保持不变。我们可能会了解到中微子有多大或者有多少中微子在宇宙中飞行。但不管怎样,我们很难知道我们会得到什么,直到我们真正看。

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保罗M萨特是俄亥俄州立大学的天体物理学家,《问一个太空人和太空无线电》的主持人,《你在宇宙中的位置》的作者。

最初发表在《生活科学》上

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