Sieć, która oplata cały wszechświat

W nieskończonych zakamarkach wszechświata, gdzie światło gwiazd pochodzi jeszcze sprzed ponad dziesięciu miliardów lat, naukowcy dokonali przełomowego odkrycia. Po raz pierwszy udało im się sfotografować nieuchwytną i niezwykle słabo świecącą kosmiczną sieć. To właśnie ona łączy galaktyki i może okazać się kluczem do zrozumienia, jak wszechświat się kształtuje i ewoluuje

Astronomowie wykryli słaby blask filamentów, które rozciągają się w przestrzeni kosmicznej. Wcześniej, nasze jedyne obserwacje tej rozległej siatki były możliwe tylko wokół takich obiektów jak kwazary – czyli jedne z najjaśniejszych obiektów we Wszechświecie. Teraz zobaczyliśmy je także w ciemnych częściach wszechświata, a to właśnie tam, tak naprawdę kryje się większość tej sieci.

Astrofizyk Christopher Martin z Caltech, stwierdził trochę filozoficznie, że przed tym odkryciem, widzieliśmy struktury filamentów tak jakby tylko w bezpośredniej okolicy latarni ulicznej, teraz możemy je widzieć w całkowitej ciemności.

Najnowsze filmy

Chociaż obiekty we Wszechświecie oddalone są od siebie na ogromne odległości, to nie są to, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka, odizolowane, samotne wyspy. Obecne modele Wszechświata sugerują, że istnieje coś takiego, jak rozległa kosmiczna sieć, a jej nici rozciągają się przez cały wszechświat, łącząc galaktykę z galaktyką i gromadę z gromadą.

Modele sugerują, że wodór pochodzący jeszcze z okresu wielkiego wybuchu układa się i przepływa wzdłuż tych filamentów, które skondensowały się pod wpływem grawitacji we wczesnych etapach istnienia Wszechświata. Naukowcy są zdania, że ten wodór zasila rosnące galaktyki, dostarczając im świeżego materiału do tworzenia jaśniejących gwiazd. Jednym słowem mamy tu do czynienia z kosmiczną siecią filamentów, które łączą galaktyki w całym wszechświecie, tworząc jedną z największych znanych nam struktur.

Wykorzystując dane z Keck Cosmic Web Imager, stworzono animację, która pokazuje trójwymiarowy przekrój sieci włókien, które przecinają przestrzenie między galaktykami. Źródło: Caltech/R. Hurt (IPAC))

We wszechświecie pełnym jasnych obiektów, słaby blask zimnego, rozproszonego wodoru nie jest łatwy do zauważenia. Jednak jego odnalezienie stanowi ważny cel w astronomii i kosmologii. Może na przykład dostarczyć nam informacji o tym, jak Wszechświat nadal się rozwija i rośnie, jak również gdzie może kryć się niewidoczna ciemna materia i brakująca zwykła materia barionowa: szacuje się, że około sześćdziesiąt procent wodoru utworzonego w Wielkim Wybuchu znajduje się właśnie w kosmicznej sieci.

Według Christophera Martina kosmiczna sieć ukazuje nam architekturę naszego Wszechświata. To tam znajduje się większość materii barionowej w naszej galaktyce, a lepsze zrozumienie tych struktur może pomóc nam w bezpośrednim określeniu lokalizacji ciemnej materii.

Aby odnaleźć te części kosmicznej sieci, które są najtrudniejsze do znalezienia, Martin i jego współpracownicy zaprojektowali specjalistyczny instrument dedykowany  do poszukiwania słabego promieniowania w zakresie Lyman alfa – to swego rodzaju “odcisk palca” wodoru, powstający gdy pochłania on i ponownie emituje fotony. Obserwacje prowadzone były przez Keck Cosmic Web Imager w skrócie KCWI znajdujące się w Obserwatorium W. M. Kecka na Mauna Kea na Hawajach.

Obserwacje tego typu nie należą do najprostszych. We wszechświecie pełno jest różnych rodzajów światła, które komplikują prowadzenie obserwacji. W przypadku tych prowadzonych z Ziemi jest to jeszcze bardziej skomplikowane ze względu na atmosferę, która również wpływa na ostateczny wynik. 

Atmosfera ziemska składa się z wielu warstw, a każda z nich wpływa na przechodzące przez nią światło w inny sposób. Refrakcja, dyfuzja oraz absorpcja są głównymi zjawiskami optycznymi, które wpływają na jakość obserwacji.

Kiedy światło przechodzi przez różne warstwy atmosfery o różnej gęstości, jego kierunek ulega zmianie, jest to zjawisko refrakcji. Ponadto cząsteczki atmosferyczne mogą rozpraszać światło, prowadząc do dyfuzji, a niektóre długości fal są pochłaniane przez cząsteczki w atmosferze, co prowadzi do absorpcji. Jednak to nie jedyne wyzwania stojące astronomom na drodze. Kolejnym problemem jest zanieczyszczenie światłem. Jasne światła miejskie tworzą powodują, że obserwacje słabo świecących obiektów jest naprawdę trudne. Choć istnieją technologie filtrujące światło, najlepszym rozwiązaniem jest prowadzenie obserwacji z miejsc oddalonych od dużych aglomeracji miejskich. Dodatkowo inne zakłócenia atmosferyczne, takie jak turbulencje powietrza czy zmieniające się warunki pogodowe, mogą powodować fluktuacje w obserwowanym obrazie, nie wspominając już o Starlinkach i innych tego typu obiektach. Na szczęście postęp technologiczny dostarczył astronomom narzędzi, które pomagają minimalizować wpływ atmosfery na obserwacje.

Jednym z takich sposobów posłużył się również Christopher Martin, który  zaprojektował sposób na zminimalizowanie wpływu atmosfery na obserwacje KCWI.

Patronite

Zostań Patronem Astrofazy! Pomóż rozwijać projekt i zyskaj dostęp do bonusowych treści!

Zobacz szczegóły!

Badacze obserwują dwa różne fragmenty nieba, przyjmijmy, że są to obszary A i B. Struktury filamentów będą znajdować się w różnych odległościach w obu kierunkach na tych fragmentach, więc biorąc światło tła z obrazu B i odejmując je od A, i na odwrót, pozostaje tylko światło pochodzące bezpośrednio z obserwowanych struktur. Zespół Martina przeprowadził szczegółowe symulacje tego rozwiązania już w dwa tysiące dziwiętnastym roku, aby przekonać się czy ta metoda faktycznie się sprawdzi.

Następnym krokiem było zbadanie tych fragmentów, szukając koncentracji promieniowania w charakterystycznej linii Lyman alfa. Ponieważ Wszechświat się rozszerza, długość fali światła na większych odległościach przesuwa się w kierunku czerwonej części widma; więc im czerwieńsza emisja, tym bardziej odległe światło. Pozwoliło to zespołowi na stworzenie trójwymiarową mapę czy też sieci emisji światła sprzed około dziesięciu do dwunastu miliardów lat.

Pokazuje to okres w historii Wszechświata, kiedy wszystko było jeszcze we wczesnych etapach formowania. Dzięki badaniom Christophera Martina i jego zespołu mamy wgląd na złożoną kosmiczną sieć w najciemniejszych, najodleglejszych zakątkach Wszechświata. To, jak twierdzą badacze, oferuje nam zupełnie nowy sposób na śledzenie kosmicznej sieci, lokalizowanie materii czy zrozumienie, jak to wszystko się ze sobą łączy i w jaki sposób wpływa na wszechświat, który znamy obecnie.

Jednym z najważniejszych aspektów najnowszych wyników badań opublikowanych w czasopiśmie naukowym Nature Astronomy jest fakt, że kosmiczna sieć nie tylko łączy galaktyki, ale również dostarcza im gaz niezbędny do wzrostu i tworzenia nowych gwiazd. To właśnie w miejscach przecięcia się tych kosmicznych nici powstają galaktyki. Dodatkowo, nowe badania wskazują, że większość wodoru powstałego podczas Wielkiego Wybuchu skupiła się w tych właśnie filamentach.

W miarę jak technologia idzie naprzód i nasza zdolność do obserwowania wszechświata stale się rozwija, odkrywamy coraz więcej jego tajemnic. Choć kosmiczna sieć sama w sobie jest fascynująca, ma również kluczowe znaczenie dla zrozumienia innych zagadek wszechświata, takich jak na przykład ciemna materia. Prawdopodobnie tam, gdzie mamy do czynienia z gęstymi skupiskami kosmicznej sieci, tam znajdować się będzie również bardzo duża ilość ciemnej materii.