Hur mörk är den kosmiska webben?

Universum genomsyras av en enorm, osynlig web, där dess slingor väver genom rymden. Men trots att vi organiserar saken vi ser i rymden, är denna mörka webben osynlig. Det beror på att det består av mörk materia, som utövar en gravitationskraft men inte avger ljus. 

Det vill säga, webben var osynlig fram till nu. För första gången har forskare upplyst några av universumets mörkaste hörn. 

Relaterad: De 11 största obesvarade frågorna om mörk materia

Väva på nätet

För länge sedan var universum varmare, mindre och tätare än nu. Det var också i genomsnitt mycket tråkigare. Det var inte mycket variation i densitet från plats till plats. Visst, utrymmet var mycket mer trångt totalt sett, men i det unga universum, oavsett vart du åkte, var saker ganska samma.

Men det fanns små, slumpmässiga skillnader i densitet. Dessa nuggets hade något mer tyngdkraft än sitt omgivande område, och så tenderade materien att rinna in i dem. När de växte större på detta sätt utvecklade de ett ännu starkare gravitationspåverkan, drog in mer materia, fick dem att bli större och så vidare och så vidare i miljarder år. Samtidigt, när naglarna växte, tömdes utrymmen mellan dem.

Under den kosmiska tiden blev de rika rikare och de fattiga blev fattigare.

Så småningom växte de täta fläckarna till att bli de första stjärnorna, galaxerna och klusteren, medan utrymmena mellan dem blev de stora kosmiska tomrummen.

Nu, 13,8 miljarder år i detta enorma byggprojekt, är jobbet inte riktigt färdig. Materie strömmar fortfarande ut ur tomrummen och ansluter sig till grupper av galaxer som flyter in i täta, rika kluster. Det vi har idag är ett stort, komplext nätverk av materiens filament: den kosmiska webben.

Ett ljus i mörkret

Den stora majoriteten av materien i vårt universum är mörk; det interagerar inte med ljus eller med någon av de "normala" saker som vi ser som stjärnor och gasmoln och andra intressanta saker. Som ett resultat är mycket av den kosmiska webben helt osynlig för oss. Lyckligtvis, där den mörka materien samlas, dras den också längs med regelbunden materia för att delta i kulan.

I de tätaste fickorna i vårt universum, där gravitationella viskningar av mörk materia har påverkat tillräckligt med regelbunden materia för att sammanfogas, ser vi ljus: Den normala materien har omvandlat sig till stjärnor.

Som en fyr på en avlägsen svart strand, berättar stjärnorna och galaxerna var den dolda mörka materien lurar, vilket ger oss en spöklik översikt av den kosmiska webbs verkliga struktur.

Med denna partiska vy kan vi enkelt se klustren. De dyker ut som jättestäder sett från en rödögonflyg. Vi vet säkert att det finns en enorm mängd mörk materia i dessa strukturer, eftersom du behöver mycket gravitationella oomph för att samla ihop så många galaxer.

Och i motsatt ände av spektrumet kan vi lätt upptäcka tomrummen; de är de platser där allt är inte. Eftersom det inte finns några galaxer som lyser upp dessa utrymmen, vet vi att de i stort sett är riktigt tomma.

Men storheten i den kosmiska webben ligger i filamentens känsliga linjer. Dessa tunna galaxer som sträcker sig i miljoner ljusår fungerar som stora kosmiska motorvägar som korsar svarta tomrum och förbinder ljusa urbana kluster.

Genom en mörk lins

Dessa filament i den kosmiska webben är den svåraste delen av webben att studera. De har några galaxer men inte mycket. Och de har alla slags längder och orienteringar; i jämförelse är kluster och tomrum geometriska barnlek. Så även om vi har känt till att det finns filament genom datorsimuleringar i årtionden, har vi haft svårt att veta dem.

Nyligen gjorde dock ett team av astronomer ett stort framsteg när det gäller att kartlägga vår kosmiska webben och publicerade sina resultat 29 januari till arXiv-databasen. Så här gick de till affärer:

Först tog de en katalog över så kallade lysande röda galaxer (LRG) från Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) -undersökningen. LRG är enorma galaxdjur och de tenderar att sitta i mitten av täta klumpar av mörk materia. Och om LRG: erna sitter i de tätaste regionerna, bör linjer som förbinder dem vara gjorda av de mer känsliga filamenten.

Men att stirra på utrymmet mellan två LRG kommer inte att vara produktivt; det finns inte mycket saker där. Så teamet tog tusentals par LRG: ar, anpassade dem och staplade dem ovanpå varandra för att skapa en sammansatt bild.

Med hjälp av denna staplade bild räknade forskarna alla galaxer som de kunde se och lägger upp deras totala ljusbidrag. Detta gjorde det möjligt för forskare att mäta hur mycket normalt material som utgör filamenten mellan LRG: erna. Därefter tittade forskarna på galaxerna bakom filamenten, och specifikt på deras former.

När ljuset från dessa bakgrundsgalaxer genomträngde de ingripande filamenten, tyngden från det mörka ämnet i dessa trådar förseglade ljuset försiktigt, ändå så lätt skiftade bilderna från dessa galaxer. Genom att mäta mängden skiftning (kallad "skjuvning" av forskarna) kunde teamet uppskatta mängden mörk materia i filamenten.

Den åtgärden är uppbyggd med teoretiska förutsägelser (en annan punkt för förekomsten av mörk materia). Forskarna bekräftade också att filamenten inte var helt mörka. För varje 351 solvärdesmassa i glödtrådarna fanns det 1 sols värde för ljusutgång. 

Det är en rå karta över glödtrådarna, men den är den första, och den visar definitivt att medan vår kosmiska webben mestadels är mörk, så är den inte helt svart. 

Paul M. Sutter är en astrofysiker vid SUNY Stony Brook och Flatiron Institute, värd för Ask a Spaceman och Space Radio och författare till Your Place in the Universe.

• De största obesvarade frågorna inom fysik
• Vad är det? Dina fysiska frågor besvarade
• Kosmiska skivhållare: De 12 största föremålen i universum

Ursprungligen publicerad den .