Изучаване на тъмната материя, най-мистериозното вещество във Вселената

Може би най-големият въпрос в астрономията в момента е този, който звучи просто: от какво е направена Вселената? Знаем за протони, неутрони и електрони и знаем, че тези частици се комбинират, за да създадат вселената, която наблюдаваме: звезди, планети, комети и черни дупки.

Но всичко това е само малка част от съществуващото. Обикновената материя, това, което астрономите наричат ​​барионна материя, е малцинство, когато погледнете нашата вселена като цяло. Вселената всъщност е доминирана от тъмна материя и тъмна енергия, две мистериозни неща, които никога не сме откривали директно.

За да изследва тази най-странна загадка, Европейската космическа агенция (ESA) изгражда космоса на Евклид телескоп, авангарден проект за изследване както на тъмната материя, така и на тъмната енергия, който ще бъде пуснат през 2022 г.

За да научите повече за това как създавате инструмент за търсене на нещо невидимо, разговаряхме с Рене Лорейс, учен по проекта за Euclid.

Виждайки само ефектите

Както тъмната материя, така и тъмната енергия са теоретични конструкции, тъй като имаме добра причина да вярваме, че съществуват, въпреки че нито една никога не е била открита директно. Вместо това знаем, че те трябва да са там, защото виждаме ефектите им върху Вселената.

„Тъмната материя е нещо, от което виждате само ефектите“, обясни Лаурейс. „Така че виждате нещо да се движи или неща да се привличат едно друго и не знаете какво го причинява. Виждаме го и в астрономията, че нещата се привличат или нещата се движат и като гледаме какво се случва наоколо, не можем да обясним тези движения с присъствието на обикновена материя.

Това привличане е наистина забележимо само в много големи мащаби, гледайки обекти с размерите на галактики. Първоначално астрономите смятаха, че може би има нещо нередно в тяхното описание на гравитацията и затова тя изглеждаше различно в астрономически мащаби. Но сега те са до голяма степен убедени, че частица причинява тези ефекти, въпреки че откриването на самата частица е продължаващо предизвикателство. „Никога не сме го виждали, но виждаме косвени доказателства за нещо, което се държи като материя, но не може да се види. И това е, което наричаме тъмна материя“, каза Лаурейс.

И тогава има тъмна енергия. Подобно е на тъмната материя по това, че е конструкция, използвана за обяснение на неочаквани наблюдения за Вселената. Но е много различно, тъй като астрономите смятат, че може да е форма на енергия, а не частица. Използва се за обяснение на разширяването на Вселената. Знаем, че Вселената се разширява, но наблюденията през 90-те години на миналия век от нови инструменти като космическия телескоп Хъбъл шокираха астрономите, като показаха, че скоростта на разширяване се ускорява.

„Това е много фин ефект, но чрез точното измерване на разстоянията до далечни галактики хората имат откри преди 20 години, че Вселената не само се разширява, но се разширява по ускорен начин. Лаурейс обясни. „Това означава, че има допълнителна енергия, която изтласква галактиките навън и се оказва, че това ускорение е започнало по средата на възрастта на Вселената, преди около 6 милиарда години. Това наистина е загадка, защо това се случи. Така че има допълнителна сила, действаща срещу гравитацията, изтласквайки всички галактики навън по ускоряващ начин, и това е, което наричаме тъмна енергия.

Това, което е наистина забележително за тъмната материя и тъмната енергия, е колко преобладаващи са те. Когато разглеждаме общия енергиен компонент на Вселената, текущи оценки показват, че около 68% от Вселената е тъмна енергия, докато 27% е тъмна материя. Цялата нормална материя, която виждаме около нас – всяка звезда, всяка планета, всяка молекула газ – съставлява само 5% от всичко, което съществува.

Така че има 95% от Вселената, която почти не разбираме. „Това е най-големият пъзел, който имаме в момента във физиката и астрономията“, каза Лаурейс. „Като астроном е наистина страхотно да се намирам в този момент, да работим върху този проблем.“

Как се лови невидимото

Традиционният метод за търсене на тъмна енергия е измерването на разширяването на Вселената чрез наблюдение на свръхнови. Ако свръхнова избухне в далечна галактика, можем да проследим енергията, която отделя, за да преценим колко далеч е – но има ограничения на този подход. Така че през последните десетилетия бяха замислени два нови метода за измерване на разширяването на Вселената и Евклид ще използва и двата.

Първият метод е да се разгледа разпределението на галактиките във Вселената. Астрономите разглеждат разстоянието до галактика и наблюдават нейното червено отместване (степента, до която светлината от тази галактика се измества към червения край на спектъра) и от това те могат да изчислят колко бързо се отдалечава галактиката от нас.

Вторият метод е да наблюдавате разпределение на тъмната материя. Знаем, че разпределението на обикновената материя следва разпределението на тъмната материя и там има много повече тъмна материя от обикновената. Гравитационните ефекти на тъмната материя могат да се видят чрез техника, наречена гравитационна леща, при която масата на тъмната материя огъва светлината около себе си.

Ето защо Евклид търси както тъмна материя, така и тъмна енергия – защото изучаването на едното може да ни научи и на другото.

Невероятно ниво на прецизност

За да се съберат видовете данни, необходими за изследване на тъмната енергия и тъмната материя, инструментите са концептуално относително прости. Евклид има два основни инструмента: инфрачервена камера/спектрометър и гигантска оптична камера.

Инфрачервеният инструмент има различни филтри и решетъчни призми, които му позволяват да измерва червеното отместване на далечни галактики, което показва колко далеч се отдалечават от нас. Оптичната камера е мозайка от 36 сензора, които дават обща резолюция от над 600 мегапиксела, което води до изключително резки изображения, като много по-прецизна версия на цифров фотоапарат. И тогава има самият телескоп с неговото 1,2-метрово огледало.

Предизвикателството при изграждането на хардуера е необходимото невероятно високо ниво на прецизност. Изкривяванията, които учените търсят поради наличието на тъмна материя и тъмна енергия, са толкова малки че инструментите трябва да бъдат невероятно чувствителни, способни да улавят дори най-малките колебания в показанията. Но това означава, че всяка промяна в средата на самия телескоп може да изкриви данните в голяма степен. Дори нещо толкова малко като включване на електроника в сателита ще бъде забележимо в показанията, които прави.

„Телескопът е създаден по такъв начин, че да е изключително стабилен и да дава много ясни изображения“, каза Лаурейс. „И има много голямо зрително поле. Ако съберете всичко заедно – стабилно, остро и голямо зрително поле – получавате невъзможен дизайн! Така че е много трудно.”

Един от начините, по които екипът подхожда към този проектен проблем, е като постави телескопа в космоса, където той ще бъде в много по-голяма стабилна среда и може да заснема изображения четири до пет пъти по-резки от най-рязкото изображение, от което може да бъде заснето Земята. Но все още съществува проблемът със слънчевата светлина, тъй като регулирането на сателита спрямо слънцето ще промени колко топлина получава. Дори промяна от няколко миливата енергия е достатъчна, за да бъде засечена от инструментите.

Най-големият проблем, с който дизайнерите на телескопи трябва да се борят, е разширяването. Когато материалите се нагорещят, те се разширяват и дори малки колебания в температурата могат да причинят подуване на части от телескопа и да внесат изкривявания в данните.

В резултат на това повечето компоненти на Euclid са изградени от забележителен материал, наречен силициев карбид. Тази керамика има изключително нисък коефициент на разширение, което означава, че се разширява много малко, когато се нагрее. И тъй като се използва във всички инструменти, ако се разширява, го прави по равномерен начин. Дори рамките на сензорите са направени от силициев карбид, както и основното огледало на телескопа. Огледалото е силно полирано до толеранс от няколко нанометра, процес, който отне почти година.

Цялата тази грижа означава, че сателитът е изключително стабилен и ще може да заснема резки и точни изображения.

Предлагайки нещо на човечеството

Докато изследването на тъмната материя и тъмната енергия е най-вече от значение за теоретичната физика, ловът може да има и практически последици. Първо, хардуерът, който е проектиран за проекти като Euclid, и разработените техники за измерване могат да се използват в цял набор от различни области. Второ, има богато богатство от данни, които Евклид ще събере.

„С нашите данни ние не само измерваме тъмната енергия и тъмната материя, но правим снимки на всичко, което виждаме в небето на тези дължини на вълните“, каза Лаурейс. „Така че в него има много повече астрономия. И това също е вълнуваща част, защото предлагаме нещо на човечеството, на астрономите, което е толкова ново. След осем години можете да отидете на уебсайта на ESA и да отидете до всяка позиция в небето и да видите как изглежда, с огромна резолюция, на дълбочина от преди 10 милиона години.

Преди всичко обаче търсенето на тъмна материя и тъмна енергия е свързано с разбирането как нашата вселена работи върху най-фундаменталните ниво и отговаряйки на въпрос, който е крайно объркващ в момента: „Това, което виждаме около нас, е само 5% от това, което има в нашата вселена. Останалите 95% са тъмна материя и тъмна енергия, нещо, което трудно можем да обясним“, каза Лаурейс. „За мен това е основната причина да правим Евклид.“

Именно този странен, необясним въпрос от какво е изградена Вселената движи учени, инженери и астрономи, които работят върху тъмната материя. Защото това, което виждаме около нас, е само надраскване на повърхността на това, което съществува в неизвестното.