Jak ciemna jest kosmiczna sieć?

Wszechświat jest przesiąknięty ogromną, niewidzialną siecią, której wąsy wiją się w przestrzeni. Ale pomimo uporządkowania materii, którą widzimy w kosmosie, ta ciemna sieć jest niewidoczna. Dzieje się tak, ponieważ składa się z ciemnej materii, która działa grawitacyjnie, ale nie emituje światła. 

Oznacza to, że do tej pory sieć była niewidoczna. Po raz pierwszy naukowcy oświetliły niektóre z najciemniejszych zakątków wszechświata. 

Związane z: 11 największych pytań bez odpowiedzi dotyczących ciemnej materii

Tkanie sieci

Dawno temu wszechświat był gorętszy, mniejszy i gęstszy niż teraz. Było też średnio dużo nudniej. Nie było dużych różnic w gęstości w zależności od miejsca. Jasne, ogólnie rzecz biorąc, przestrzeń była znacznie bardziej ciasna, ale w młodym wszechświecie, bez względu na to, gdzie się udałeś, wszystko było prawie takie samo.

Ale były drobne, przypadkowe różnice w gęstości. Te bryłki miały nieco większą siłę grawitacji niż otaczające ich sąsiedztwo, więc materia miała tendencję do napływania do nich. Rosnąc w ten sposób, rozwinęli jeszcze silniejszy wpływ grawitacyjny, wciągając więcej materii, powodując, że stają się większe i tak dalej, i tak dalej przez miliardy lat. Jednocześnie, gdy bryłki rosły, przestrzenie między nimi opróżniały się.

W miarę upływu czasu bogaci bogacili się, a biedni biedniejsi.

W końcu gęste plamy stały się pierwszymi gwiazdami, galaktykami i gromadami, podczas gdy przestrzenie między nimi stały się wielkimi kosmicznymi pustkami.

Teraz, 13,8 miliarda lat po rozpoczęciu tego ogromnego projektu budowlanego, praca nie jest jeszcze zakończona. Materia wciąż wypływa z pustek, łącząc się z grupami galaktyk, które przepływają w gęste, bogate gromady. To, co mamy dzisiaj, to rozległa, złożona sieć włókien materii: kosmiczna sieć.

Światło w ciemności

Ogromna większość materii w naszym wszechświecie jest ciemna; nie oddziałuje ze światłem ani z żadną „normalną” materią, którą widzimy jako gwiazdy, obłoki gazu i inne interesujące rzeczy. W rezultacie większość kosmicznej sieci jest dla nas całkowicie niewidoczna. Na szczęście tam, gdzie gromadzi się ciemna materia, ciągnie się ona ze zwykłą materią, aby przyłączyć się do zabawy.

W najgęstszych kieszeniach naszego wszechświata, gdzie grawitacyjne szepty ciemnej materii wpłynęły na wystarczająco regularną materię, aby się zetrzeć, widzimy światło: Zwykła materia przekształciła się w gwiazdy.

Niczym latarnia morska na odległym, czarnym brzegu morza, gwiazdy i galaktyki mówią nam, gdzie czai się ukryta ciemna materia, dając nam upiorny zarys prawdziwej struktury kosmicznej sieci.

Dzięki temu stronniczemu poglądowi możemy łatwo zobaczyć klastry. Wyskakują jak gigantyczne miasta widziane z lotu z czerwonymi oczami. Wiemy na pewno, że w tych strukturach jest ogromna ilość ciemnej materii, ponieważ potrzebujesz dużej mocy grawitacyjnej, aby zebrać razem tyle galaktyk.

A na przeciwległym końcu spektrum możemy łatwo dostrzec puste przestrzenie; są to miejsca, w których nie ma sprawy. Ponieważ nie ma galaktyk, które mogłyby oświetlić te przestrzenie, wiemy, że są one w zasadzie naprawdę puste.

Ale wielkość kosmicznej sieci tkwi w delikatnych liniach samych włókien. Rozciągając się na miliony lat świetlnych, te cienkie pasma galaktyk działają jak wielkie kosmiczne autostrady przecinające czarne pustki, łączące jasne gromady miejskie.

Przez przyćmiony obiektyw

Te włókna w kosmicznej sieci są najtrudniejszymi do zbadania częściami sieci. Mają trochę galaktyk, ale niewiele. Mają różne długości i orientacje; dla porównania, klastry i puste przestrzenie są geometryczną dziecinną zabawą. Tak więc, mimo że wiedzieliśmy o istnieniu włókien, poprzez symulacje komputerowe, od dziesięcioleci, tak naprawdę ciężko nam było zobaczyć je.

Ostatnio jednak zespół astronomów dokonał znacznego postępu w mapowaniu naszej kosmicznej sieci, publikując wyniki 29 stycznia w bazie danych arXiv. Oto, jak poszli do biznesu:

Najpierw wzięli katalog tak zwanych jasnoczerwonych galaktyk (LRG) z przeglądu barionowego oscylacji spektroskopowej (BOSS). LRG to masywne bestie galaktyk, które zwykle siedzą w centrach gęstych plam ciemnej materii. A jeśli LRG siedzą w najgęstszych regionach, to łączące je linie powinny być wykonane z delikatniejszych włókien.

Ale wpatrywanie się w przestrzeń między dwoma LRG nie będzie produktywne; nie ma tam dużo rzeczy. Zespół wziął więc tysiące par LRG, wyrównał je i ułożył jeden na drugim, aby uzyskać złożony obraz.

Korzystając z tego złożonego obrazu, naukowcy policzyli wszystkie galaktyki, które widzieli, sumując ich całkowity udział światła. Pozwoliło to naukowcom zmierzyć, ile normalnej materii tworzy włókna między LRG. Następnie badacze przyjrzeli się galaktykom za włóknami, a konkretnie ich kształtom.

Gdy światło z tych galaktyk tła przebijało się przez włókna, grawitacja z ciemnej materii w tych włóknach delikatnie trąciła to światło, lekko zmieniając obrazy tych galaktyk. Mierząc stopień przesunięcia (nazywanego przez naukowców „ścinaniem”), zespół był w stanie oszacować ilość ciemnej materii we włóknach.

Miara ta była zgodna z przewidywaniami teoretycznymi (kolejny punkt dotyczący istnienia ciemnej materii). Naukowcy potwierdzili również, że włókna nie były całkowicie ciemne. Na każde 351 słońc masy we włóknach przypadał strumień światła o wartości 1 słońca. 

To prymitywna mapa włókien, ale to pierwsza i zdecydowanie pokazuje, że chociaż nasza kosmiczna sieć jest w większości ciemna, nie jest całkowicie czarna. 

Paul M. Sutter jest astrofizykiem w SUNY Stony Brook and the Flatiron Institute, gospodarzem Ask a Spaceman and Space Radio oraz autorem Your Place in the Universe.

• Największe pytania bez odpowiedzi w fizyce
• Co to jest? Odpowiedzi na twoje pytania dotyczące fizyki
• Rekordziści kosmosu: 12 największych obiektów we wszechświecie

Pierwotnie opublikowano w dniu .