Potwierdzono wpływ neutrin na powstawanie i rozszerzanie się Wszechświata. Może to stanowić przełom w jego symulowaniu [DEPESZA]

Neutrina rzadko reagują z normalną materią. Dlatego uznawane są za najlepsze przekaźniki zjawisk zachodzących daleko poza naszą galaktyką. Są jednak przy tym stosunkowo mało poznane. Dotychczasowe symulacje komputerowe miały trudności z uchwyceniem wpływu neutrin na powstawanie i wzrost struktury Wszechświata. Badacze z Japonii przedstawili symulacje, które dokładnie obrazują rolę neutrin, przedstawiają funkcję rozkładu ich prędkości i śledzą jej ewolucję w czasie.

Neutrina rzadko reagują z normalną materią, co czyni je świetnymi przekaźnikami zjawisk zachodzących daleko poza naszą galaktyką. Kosmiczne neutrina są generowane przez promienie kosmiczne w źródłach pozagalaktycznych. Przenoszą przy tym ogromne ilości energii. Wskazują na intensywne wydarzenia w kosmosie, takie jak czarne dziury, pulsary, pozostałości supernowych czy aktywne jądra galaktyczne.

Najbardziej energetycznymi neutrinami, jakie kiedykolwiek zaobserwowano, były kosmiczne neutrina przechwycone przez teleskop IceCube – miały energię petaelektronowoltów, czyli tysiąca bilionów elektronowoltów. To olbrzymia ilość energii. Dla porównania typowe neutrino atmosferyczne ma około 1 do 10 bln elektronowoltów. Wielki Zderzacz Hadronów, najpotężniejszy akcelerator cząstek na świecie, rozbija cząstki ze sobą przy ok. 13 bln elektronowoltów.

Choć rola neutrin w procesie powstawania Wszechświata może być ogromna, wiadomo o nich stosunkowo niewiele. Dotychczasowe symulacje komputerowe miały trudności z uchwyceniem ich wpływu na powstawanie i wzrost struktury Wszechświata. Zespół badaczy z Japonii opracował właśnie metodę, która pokonuje tę przeszkodę.

– Wcześniejsze symulacje dotyczące neutrin opierały się na pewnych przybliżeniach, które mogły nie być dokładne – mówi Kohji Yoshikawa, wykładowca na Uniwersytecie Tsukuby. – W naszej pracy uniknęliśmy tych przybliżeń, stosując technikę, która dokładnie przedstawia funkcję rozkładu prędkości neutrin i śledzi jej ewolucję w czasie.

Symulacje są o tyle istotne, że mogą nałożyć ograniczenia na obecnie nieznaną masę neutrin. Jeśli ta wielkość jest ustawiona na określoną wartość, a wyniki symulacji różnią się od obserwacji, można wykluczyć tę wartość. Takim ograniczeniom można ufać jednak tylko wtedy, gdy symulacje są dokładne. Japoński zespół naukowców z Uniwersytetu w Tsukubie rozwiązał układ równań Własowa–Poissona, które opisują sposób poruszania się cząstek we Wszechświecie. Następnie przeprowadził symulacje dla różnych wartości masy neutrin i systematycznie badał ich wpływ na strukturę Wszechświata.

Wyniki symulacji pokazały, że neutrina tłumią skupianie się ciemnej materii. Udowadniają też, że obszary bogate w nie są silnie skorelowane z masywnymi gromadami galaktyk, a efektywna temperatura neutrin znacznie się różni w zależności od masy.

– Nasze odkrycia sugerują, że neutrina w znacznym stopniu wpływają na formowanie się wielkoskalowych struktur, a nasze symulacje dostarczają dokładnych informacji o ich istotnym wpływie na kształtowanie się Wszechświata – przekonuje Kohji Yoshikawa. – Nasze nowe wyniki są spójne z wynikami uzyskanymi w przypadku zupełnie innych podejść do symulacji, co zwiększa ich wiarygodność.

Zdaniem naukowców opracowanie japońskiego zespołu może stanowić przełom w symulowaniu Wszechświata. Może też rozpocząć erę kolejnych badań nad wpływem neutrin na tworzenie innych wielkoskalowych struktur. Nowe symulacje można byłoby wykorzystać do badania dynamiki neutrin i niekonwencjonalnych typów ciemnej materii.