Studium temné hmoty, nejzáhadnější látky ve vesmíru

Možná největší otázka v astronomii je v současnosti ta, která zní jednoduše: Z čeho se skládá vesmír? Víme o protonech, neutronech a elektronech a víme, že tyto částice se spojují, aby vytvořily vesmír, který pozorujeme: hvězdy, planety, komety a černé díry.

Ale to vše je jen nepatrný zlomek toho, co existuje. Obyčejná hmota, kterou astronomové nazývají baryonickou hmotou, je v menšině, když se podíváte na náš vesmír jako celek. Vesmíru ve skutečnosti dominuje temná hmota a temná energie, dvě záhadné věci, které jsme nikdy přímo nezjistili.

Aby prozkoumala tuto nejpodivnější hádanku, staví Evropská vesmírná agentura (ESA) prostor Euclid teleskop, špičkový projekt zkoumající temnou hmotu i temnou energii, který bude spuštěn v roce 2022.

Chcete-li se dozvědět více o tom, jak vytvořit nástroj pro hledání něčeho neviditelného, ​​oslovili jsme René Laureijse, projektového vědce pro Euclid.

Vidět pouze efekty

Jak temná hmota, tak temná energie jsou teoretické konstrukty, protože máme dobrý důvod se domnívat, že existují, i když ani jedna nebyla nikdy přímo detekována. Místo toho víme, že tam musí být, protože vidíme jejich účinky na vesmír.

"Temná hmota je něco, čeho vidíte pouze účinky," vysvětlil Laureijs. "Takže vidíte, že se něco hýbe, nebo věci, které se vzájemně přitahují, a nevíte, co to způsobuje. Vidíme to také v astronomii, že se věci přitahují nebo se pohybují, a když se podíváme na to, co se děje kolem, nemůžeme tyto pohyby vysvětlit přítomností běžné hmoty."

Tato přitažlivost je skutečně patrná pouze ve velmi velkých měřítcích, při pohledu na objekty velikosti galaxií. Zpočátku si astronomové mysleli, že s jejich popisem gravitace možná není něco v pořádku, a proto to v astronomických měřítcích vypadalo jinak. Ale nyní jsou do značné míry přesvědčeni, že je to částice způsobující tyto účinky, ačkoli detekce samotné částice je pokračující výzvou. „Nikdy jsme to neviděli, ale vidíme nepřímé důkazy pro něco, co se chová jako hmota, ale není vidět. A tomu říkáme temná hmota,“ řekl Laureijs.

A pak je tu temná energie. Je to podobné temné hmotě v tom, že je to konstrukt používaný k vysvětlení neočekávaných pozorování vesmíru. Ale je to velmi odlišné v tom, že astronomové si myslí, že to může být forma energie, spíše než částice. Používá se k vysvětlení rozpínání vesmíru. Víme, že vesmír se rozpíná, ale pozorování z 90. let z nových nástrojů, jako je Hubbleův vesmírný teleskop, šokovala astronomy tím, že ukázala, že rychlost rozpínání se zrychluje.

"Je to velmi jemný efekt, ale přesným měřením vzdáleností ke vzdáleným galaxiím to lidé mají." před 20 lety zjistili, že vesmír se nejen rozpíná, ale rozpíná se zrychleným způsobem. Laureijs vysvětlil. "To znamená, že existuje další energie, která tlačí galaxie ven, a ukázalo se, že toto zrychlení začalo v polovině věku vesmíru, asi před 6 miliardami let." To je opravdu hádanka, proč se to stalo. Takže proti gravitaci působí další síla, která zrychluje všechny galaxie směrem ven, a tomu říkáme temná energie."

Na temné hmotě a temné energii je opravdu pozoruhodné, jak převládají. Když vezmeme v úvahu celkovou energetickou složku vesmíru, aktuální odhady ukazují, že přibližně 68 % vesmíru tvoří temná energie, zatímco 27 ​​% tvoří temná hmota. Veškerá normální hmota, kterou kolem sebe vidíme – každá hvězda, každá planeta, každá molekula plynu – tvoří pouhých 5 % všeho, co existuje.

Existuje tedy 95 % vesmíru, kterému sotva rozumíme. "Toto je největší hádanka, kterou v současnosti ve fyzice a astronomii máme," řekl Laureijs. "Jako astronom je opravdu skvělé být v tomto okamžiku a pracovat na tomto problému."

Jak lovit neviditelné

Tradiční metodou hledání temné energie bylo měření rozpínání vesmíru pozorováním supernov. Pokud supernova exploduje ve vzdálené galaxii, můžeme sledovat energii, kterou vydává, abychom odhadli, jak daleko je – ale existují omezení tohoto přístupu. Takže v posledních desetiletích byly vymyšleny dvě nové metody pro měření expanze vesmíru a Euclid využije obě.

První metodou je podívat se na rozložení galaxií ve vesmíru. Astronomové se dívají na vzdálenost ke galaxii a pozorují její rudý posuv (stupeň, do kterého světlo z této galaxie je posunuta k červenému konci spektra) a z toho mohou zjistit, jak rychle se galaxie vzdaluje od nás.

Druhým způsobem je pozorování distribuce temné hmoty. Víme, že distribuce běžné hmoty následuje distribuci temné hmoty a tam venku je mnohem více temné hmoty než běžné hmoty. Gravitační účinky temné hmoty lze pozorovat pomocí techniky zvané gravitační čočky, při níž hmota temné hmoty ohýbá světlo kolem sebe.

To je důvod, proč Euclid hledá jak temnou hmotu, tak temnou energii – protože učení o jednom nás může naučit i o druhém.

Neuvěřitelná úroveň přesnosti

Ke sběru druhů dat potřebných ke studiu temné energie a temné hmoty jsou nástroje koncepčně relativně jednoduché. Euclid má dva primární nástroje: infračervenou kameru/spektrometr a obří optickou kameru.

Infračervený přístroj má různé filtry a mřížkové hranoly, které mu umožňují měřit rudý posuv vzdálených galaxií, což ukazuje, jak daleko se od nás vzdalují. Optická kamera je mozaika 36 senzorů, které poskytují celkové rozlišení přes 600 megapixelů, což vede k extrémně ostrým snímkům, jako mnohem přesnější verze digitálního fotoaparátu. A pak je tu samotný dalekohled s 1,2metrovým zrcadlem.

Výzvou při vytváření hardwaru je neuvěřitelně vysoká úroveň požadované přesnosti. Zkreslení, která vědci hledají kvůli přítomnosti temné hmoty a temné energie, jsou tak malá že přístroje musí být neuvěřitelně citlivé, schopné zachytit i ty nejmenší výkyvy naměřených hodnot. To ale znamená, že jakákoliv změna prostředí samotného dalekohledu může data zásadním způsobem zkreslit. Dokonce i něco tak malého, jako je zapnutí elektroniky uvnitř satelitu, bude patrné na odečtených hodnotách.

"Teleskop byl postaven tak, že je extrémně stabilní a poskytuje velmi ostré snímky," řekl Laureijs. „A má velmi velké zorné pole. Pokud dáte vše dohromady – stabilní, ostré a velké zorné pole – získáte nemožný design! Takže je to velmi těžké."

Jedním ze způsobů, jak tým přistupuje k tomuto konstrukčnímu problému, je umístění dalekohledu do vesmíru, kde bude mnohem více stabilní prostředí a dokáže zachytit snímky čtyřikrát až pětkrát ostřejší než nejostřejší snímek, ze kterého bylo možné pořídit Země. Ale stále je tu problém slunečního světla, protože přizpůsobení satelitu vůči slunci změní, kolik tepla přijímá. Dokonce i změna několika miliwattů energie stačí k tomu, aby byla detekována přístroji.

Největší problém, se kterým se konstruktéři dalekohledů musí potýkat, je expanze. Když se materiály zahřejí, roztahují se a dokonce i nepatrné kolísání teploty by mohlo způsobit, že části dalekohledu nabobtnaly a zkreslily data.

Výsledkem je, že většina součástí Euclid je vyrobena z pozoruhodného materiálu zvaného karbid křemíku. Tato keramika má extrémně nízký koeficient roztažnosti, což znamená, že se při zahřívání roztahuje velmi málo. A protože se používá ve všech nástrojích, pokud se rozšiřuje, činí tak rovnoměrně. Dokonce i rámy pro snímače jsou vyrobeny z karbidu křemíku, stejně jako hlavní zrcadlo pro dalekohled. Zrcadlo bylo vysoce leštěno s tolerancí několika nanometrů, což je proces, který trval téměř rok.

Veškerá tato péče znamená, že satelit je extrémně stabilní a bude schopen zachytit ostré a přesné snímky.

Nabídnout něco lidstvu

Zatímco studium temné hmoty a temné energie je většinou důležité pro teoretickou fyziku, lov může mít i praktické důsledky. Za prvé, hardware, který je navržen pro projekty jako Euclid, a měřicí techniky, které jsou vyvinuty, by mohly být použity v celé řadě různých oblastí. Za druhé, existuje bohaté množství dat, které Euclid bude shromažďovat.

"S našimi daty nejen měříme temnou energii a temnou hmotu, ale fotíme vše, co na těchto vlnových délkách vidíme na obloze," řekl Laureijs. „Takže je v tom mnohem více astronomie. A to je také vzrušující část, protože nabízíme lidstvu, astronomům něco, co je tak nové. Za osm let můžete přejít na web ESA a přejít na jakoukoli pozici na obloze a podívat se, jak to vypadá s obrovským rozlišením do hloubky před 10 miliony let.“

Primárně je však hledání temné hmoty a temné energie o pochopení toho, jak náš vesmír funguje na tom nejzákladnějším a odpověď na otázku, která je právě teď naprosto matoucí: „To, co kolem sebe vidíme, je pouze 5 % toho, co je v našem vesmíru. Zbylých 95 % tvoří temná hmota a temná energie, což je něco, co jen stěží dokážeme vysvětlit,“ řekl Laureijs. "Toto je pro mě základní důvod, proč děláme Euklides."

Právě tato podivná, nevysvětlitelná otázka, z čeho se skládá vesmír, pohání vědce, inženýry a astronomy, kteří pracují na temné hmotě. Protože to, co kolem sebe vidíme, je pouze poškrábání povrchu toho, co existuje v neznámu.