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这颗卫星将解决宇宙中两个最大的谜团!

我们的宇宙大得令人难以置信,大部分是神秘的,而且通常令人困惑。我们被大小尺度上的复杂问题所包围。当然,我们有一些答案,比如粒子物理学的标准模型。

我们的宇宙大得令人难以置信,大部分是神秘的,而且通常令人困惑。我们被大小尺度上的复杂问题所包围。当然,我们有一些答案,比如粒子物理学的标准模型,它帮助我们(至少是物理学家)理解基本的亚原子相互作用

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以及宇宙起源的大爆炸理论,它编织了一个在过去138亿年的宇宙故事。但尽管这些模式取得了成功,我们仍有大量工作要做。例如,暗能量到底是什么?暗能量是我们给观测到宇宙加速膨胀背后驱动力取的名字。

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博科园:而在天平的另一端,中微子到底是什么呢?那些幽灵般的小粒子在宇宙中穿梭、放大,却几乎不与任何东西发生作用。乍一看,这两个问题在规模和性质上似乎截然不同,以及可能认为我们需要回答的所有问题。但可能只有一个实验就能揭示这两个问题的答案。欧洲航天局的一架望远镜将绘制出暗宇宙的地图,它可以追溯到大约100亿年前,当时人们认为暗能量正在肆虐。为了深入挖掘,我们需要“向上”看,在比星系大得多的尺度上(伙计们,我们这里说的是数十亿光年),我们的宇宙就像一个巨大、发光的蜘蛛网。

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只不过,这个蜘蛛网不是由蛛丝织成,而是由星系织成的。长而细的卷须状星系连接着密集的团块节点。这些节点是星系团、熙熙攘攘的星系城市和炽热、丰富的气体——由成千上万个星系组成的巨大、宽阔的墙。在这些结构之间,占据了宇宙的大部分空间,是巨大的宇宙空洞,天上的沙漠里什么也没有。它被称为宇宙网,是宇宙中最大的结构。这个宇宙网是由自然界中最弱的力(引力)在数十亿年的时间里慢慢形成。很久以前,当宇宙只有现在大小的极小部分时,它几乎是完全均匀的。

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但是“几乎”在这里是很重要的:从一个点到另一个点的密度有微小的变化,宇宙的一些角落比平均水平稍微拥挤一些,而另一些则不那么拥挤。随着时间的推移,重力可以产生惊人的效果。在我宇宙网中,那些略高于平均密度区域具有稍强的引力,吸引着周围的物体,这使得这些团块更具吸引力,吸引了更多的邻居等等。把这个过程向前推进10亿年,你就形成了自己的宇宙网。这是一个大概的图景:要形成一个宇宙网,需要一些“东西”,需要一些引力,但真正有趣的是细节,尤其是细节。

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不同种类的物质会聚集起来,形成不同结构。有些物质可能会纠缠在一起,或者需要在凝结之前除去多余的热量,而其他物质则可能很容易加入最近的一方。某些类型的物质移动得足够慢,以至于重力可以有效地完成它的工作,而其他类型的物质是如此的敏捷,以至于重力几乎无法抓住它虚弱的手。简而言之,如果改变宇宙的成分,就会得到不同外观的宇宙网。在一种情况下,与另一种情况相比,可能会有更丰富的星系团和更少的空腔,在另一种情况下,空腔在宇宙历史的早期完全占据主导地位,根本没有形成星系团。

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其中一个特别有趣的成分是中微子(上面提到的幽灵粒子)。由于中微子非常轻,所以它的传播速度接近光速。这就产生了一种“平滑”宇宙结构的效果:引力根本无法起作用,无法把中微子拉成紧凑的小球。所以,如果在宇宙中加入太多的中微子,像整个星系这样的东西最终无法在早期宇宙中形成。这意味着可以利用宇宙本身作为一个巨大的物理实验室来研究中微子。通过研究宇宙网结构并将其分解为不同的部分(集群、空洞等等),可以非常直接地处理中微子。

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  • 欧几里得卫星的印象概念图,图片:ESA/ATG-medialab

只有一个小问题:中微子不是宇宙中唯一的成分。一个主要的混淆因素是暗能量存在,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。毕竟,在一个快速膨胀的宇宙中建造大型结构有点困难。如果你只看宇宙网的一部分(例如,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——它们都阻碍了“物质”的聚集。在发表在《arXiv》上的一篇论文中,天文学家解释了即将到来的星系研究调查,比如欧洲航天局的欧几里得任务,将如何帮助揭示中微子和暗能量的特性。欧几里得卫星将绘制出数百万个星系的位置图,为宇宙网描绘出一幅非常广阔的图景。

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在这个结构中蕴含着我们宇宙历史的线索,过去取决于它的成分,比如中微子和暗能量。通过观察宇宙中密度最大、最繁忙的地方(星系团)和宇宙中最孤独、最空旷的地方(空洞)组合,可能得到暗能量的本质(这将预示着一个全新的物理知识时代)和中微子的本质(它也会做同样的事情)答案。例如,我们可能会了解到,暗能量正在变得越来越糟,或者变得越来越好,甚至可能只是保持不变。可能会知道中微子有多大或者它们中有多少在宇宙中穿梭。但无论如何,在我们真正去看之前,很难预测会得到什么。

这颗卫星将解决宇宙中两个最大的谜团!

博科园-科学科普|文: Paul Sutter/Live Science

参考期刊文献: 《arXiv》

DOI: 10.1103/PhysRevD.99.063525

Cite: arXiv:1807.02470

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