At studere mørkt stof, det mest mystiske stof i universet

Det måske største spørgsmål inden for astronomi lige nu er et, der lyder simpelt: Hvad er universet lavet af? Vi kender til protoner, neutroner og elektroner, og vi ved, at disse partikler kombineres for at skabe det univers, vi observerer: Stjerner, planeter, kometer og sorte huller.

Men alt dette er kun en lille brøkdel af, hvad der eksisterer. Almindelig stof, hvad astronomer kalder baryonisk stof, er i mindretal, når man ser på vores univers som en helhed. Universet er faktisk domineret af mørkt stof og mørk energi, to mystiske ting, vi aldrig har opdaget direkte.

For at undersøge disse mærkeligste gåder bygger Den Europæiske Rumorganisation (ESA) Euklid-rummet teleskop, et banebrydende projekt til at undersøge både mørkt stof og mørk energi, der vil blive lanceret i 2022.

For at lære mere om, hvordan du bygger et værktøj til at søge efter noget usynligt, talte vi med René Laureijs, projektforsker for Euclid.

Ser kun effekterne

Både mørkt stof og mørk energi er teoretiske konstruktioner, idet vi har god grund til at tro, at de eksisterer, selvom ingen af ​​dem nogensinde er blevet opdaget direkte. I stedet ved vi, at de skal være der, fordi vi ser deres virkninger på universet.

"Mørkt stof er noget, du kun ser virkningerne af," forklarede Laureijs. "Så du ser noget bevæge sig, eller ting tiltrækker hinanden, og du ved ikke, hvad der forårsager det. Vi ser det også i astronomi, at ting tiltrækkes, eller ting bevæger sig, og ved at se på, hvad der foregår rundt, kan vi ikke forklare disse bevægelser med tilstedeværelsen af ​​almindeligt stof."

Denne attraktion er kun rigtig mærkbar på meget store skalaer, når man ser på objekter på størrelse med galakser. Først troede astronomer, at der måske var noget galt med deres beskrivelse af tyngdekraften, og det var derfor, det så anderledes ud på astronomiske skalaer. Men de er nu stort set overbevist om, at det er en partikel, der forårsager disse virkninger, selvom det er en vedvarende udfordring at opdage selve partiklen. »Vi har aldrig set det, men vi ser indirekte beviser for noget, der opfører sig som stof, men ikke kan ses. Og det er det, vi kalder mørkt stof," sagde Laureijs.

Og så er der mørk energi. Det ligner mørkt stof, idet det er en konstruktion, der bruges til at forklare uventede observationer om universet. Men det er meget anderledes ved, at astronomer tror, ​​at det kan være en form for energi snarere end en partikel. Det bruges til at forklare universets udvidelse. Vi ved, at universet udvider sig, men observationer i 1990'erne fra nye værktøjer som Hubble-rumteleskopet chokerede astronomer ved at vise, at ekspansionshastigheden accelererede.

"Det er en meget subtil effekt, men ved nøjagtigt at måle afstandene til fjerne galakser har folk opdagede for 20 år siden, at universet ikke kun udvider sig, men udvider sig på en accelereret måde." Laureijs forklaret. »Det betyder, at der er en ekstra energi, der presser galakserne ud, og det viser sig, at denne acceleration startede halvvejs gennem universets tidsalder, for omkring 6 milliarder år siden. Det er virkelig et puslespil, hvorfor det skete. Så der er en ekstra kraft, der virker mod tyngdekraften og presser alle galakserne udad på en accelererende måde, og det er det, vi kalder mørk energi."

Det der virkelig er bemærkelsesværdigt ved mørkt stof og mørk energi er, hvor udbredte de er. Når man betragter universets samlede energikomponent, nuværende skøn viser, at omkring 68 % af universet er mørk energi, mens 27 % er mørkt stof. Alt det normale stof, vi ser omkring os - hver stjerne, hver planet, hvert gasmolekyle - udgør kun 5% af alt, hvad der eksisterer.

Så der er 95% af universet, som vi næsten ikke forstår overhovedet. "Dette er det største puslespil, vi har i øjeblikket inden for fysik og astronomi," sagde Laureijs. "Som astronom er det virkelig fantastisk at være på dette tidspunkt for at arbejde på dette problem."

Hvordan man jager det usynlige

Den traditionelle metode til at søge efter mørk energi har været at måle udvidelsen af ​​universet ved at observere supernovaer. Hvis en supernova eksploderer i en fjern galakse, kan vi spore den energi, den afgiver for at vurdere, hvor langt væk den er - men der er begrænsninger for denne tilgang. Så i de seneste årtier er to nye metoder til at måle universets udvidelse blevet udtænkt, og Euklid vil gøre brug af begge.

Den første metode er at se på fordelingen af ​​galakser over universet. Astronomer ser på afstanden til en galakse og observerer dens rødforskydning (i hvilken grad lyset fra den galakse er forskudt til den røde ende af spektret), og ud fra dette kan de regne ud, hvor hurtigt galaksen bevæger sig væk fra os.

Den anden metode er at observere fordeling af mørkt stof. Vi ved, at fordelingen af ​​almindeligt stof følger fordelingen af ​​mørkt stof, og der er meget mere mørkt stof end almindeligt stof derude. Tyngdekraftens virkninger af mørkt stof kan ses gennem en teknik kaldet gravitationslinser, hvor massen af ​​det mørke stof bøjer lyset rundt om det.

Det er derfor, Euklid søger efter både mørkt stof og mørk energi – fordi at lære om den ene også kan lære os om den anden.

En utrolig grad af præcision

For at indsamle den slags data, der kræves for at studere mørk energi og mørkt stof, er værktøjerne konceptuelt relativt enkle. Euclid har to primære instrumenter: Et infrarødt kamera/spektrometer og et kæmpe optisk kamera.

Det infrarøde instrument har forskellige filtre og gitterprismer, der gør det muligt at måle rødforskydningen af ​​fjerne galakser, hvilket viser, hvor langt de bevæger sig væk fra os. Det optiske kamera er en mosaik af 36 sensorer, der giver en samlet opløsning på over 600 megapixel, hvilket resulterer i ekstremt skarpe billeder, som en meget mere præcis udgave af et digitalkamera. Og så er der selve teleskopet med sit 1,2 meter store spejl.

Udfordringen ved at bygge hardwaren er det utroligt høje præcisionsniveau, der kræves. De forvrængninger, som videnskabsmænd leder efter på grund af tilstedeværelsen af ​​mørkt stof og mørk energi, er så små at instrumenterne skal være utrolig følsomme, kunne opfange selv de mindste udsving i aflæsningerne. Men det betyder, at enhver ændring af miljøet af selve teleskopet kan forvrænge dataene på en væsentlig måde. Selv noget så lille som at tænde for elektronik i satellitten vil kunne mærkes i de aflæsninger, den tager.

"Teleskopet er bygget på en sådan måde, at det er ekstremt stabilt og giver meget skarpe billeder," sagde Laureijs. “Og den har et meget stort synsfelt. Hvis du sætter alt sammen – stabilt, skarpt og stort synsfelt – får du et umuligt design! Så det er meget svært."

En måde, hvorpå holdet nærmer sig dette designproblem, er ved at placere teleskopet i rummet, hvor det vil være i et langt mere stabilt miljø og kan tage billeder fire til fem gange skarpere end det skarpeste billede, der kunne tages fra Jorden. Men der er stadig problemet med sollys, da justering af satellitten i forhold til solen vil ændre, hvor meget varme den modtager. Selv en ændring på et par milliwatt energi er nok til at blive opdaget af instrumenterne.

Det største problem, som teleskopdesignere skal kæmpe med, er udvidelse. Når materialer bliver varme, udvider de sig, og selv et lille udsving i temperaturen kan få dele af teleskopet til at svulme op og introducere forvrængninger i dataene.

Som et resultat er de fleste af Euclid-komponenterne bygget af et bemærkelsesværdigt materiale kaldet siliciumcarbid. Denne keramik har en ekstrem lav ekspansionskoefficient, hvilket betyder, at den udvider sig meget lidt, når den bliver varm. Og fordi det bruges overalt i instrumenterne, hvis det udvider sig, gør det det på en jævn måde. Selv rammerne til sensorerne er lavet af siliciumcarbid, ligesom hovedspejlet til teleskopet. Spejlet er blevet meget poleret til en tolerance på få nanometer, en proces, der tog næsten et år.

Al denne omhu betyder, at satellitten er ekstremt stabil og vil være i stand til at tage skarpe, præcise billeder.

At tilbyde noget til menneskeheden

Mens studiet af mørkt stof og mørk energi for det meste er af betydning for teoretisk fysik, kan jagten også have praktiske konsekvenser. For det første kan den hardware, der er designet til projekter som Euclid, og de måleteknikker, der udvikles, bruges på en lang række forskellige områder. For det andet er der det rige væld af data, som Euclid vil indsamle.

"Med vores data måler vi ikke kun mørk energi og mørkt stof, men vi tager billeder af alt, hvad vi ser på himlen på disse bølgelængder," sagde Laureijs. »Så der er meget mere astronomi i det. Og det er også en spændende del, fordi vi tilbyder noget til menneskeheden, til astronomerne, som er så nyt. Om otte år fra nu kan du gå til ESA's hjemmeside og gå til en hvilken som helst position på himlen og se, hvordan den ser ud med enorm opløsning til en dybde på 10 millioner år siden."

Primært handler søgen efter mørkt stof og mørk energi dog om at forstå, hvordan vores univers fungerer på det mest fundamentale niveau, og besvare et spørgsmål, der er fuldstændig forvirrende lige nu: "Det, vi ser omkring os, er kun 5% af, hvad der er i vores univers. De øvrige 95 % er mørkt stof og mørk energi, noget vi næsten ikke kan forklare,” sagde Laureijs. "Dette er for mig den grundlæggende årsag til, at vi laver Euklid."

Det er dette mærkelige, uforklarlige spørgsmål om, hvad universet består af, der driver videnskabsmænd, ingeniører og astronomer, der arbejder med mørkt stof. Fordi det, vi ser omkring os, kun ridser i overfladen af ​​det, der eksisterer ude i det ukendte.