Erforschung der Dunklen Materie, der geheimnisvollsten Substanz im Universum

Die derzeit vielleicht größte Frage in der Astronomie klingt einfach: Woraus besteht das Universum? Wir kennen Protonen, Neutronen und Elektronen und wissen, dass diese Teilchen zusammen das Universum erschaffen, das wir beobachten: Sterne, Planeten, Kometen und Schwarze Löcher.

Aber das alles ist nur ein winziger Bruchteil dessen, was existiert. Gewöhnliche Materie, die Astronomen baryonische Materie nennen, ist in der Minderheit, wenn man unser Universum als Ganzes betrachtet. Tatsächlich wird das Universum von dunkler Materie und dunkler Energie dominiert, zwei mysteriösen Dingen, die wir nie direkt entdeckt haben.

Um dieses seltsamste aller Rätsel zu lösen, baut die Europäische Weltraumorganisation (ESA) den Euklid-Raum Teleskop, ein hochmodernes Projekt zur Untersuchung sowohl der Dunklen Materie als auch der Dunklen Energie, das gestartet wird im Jahr 2022.

Um mehr darüber zu erfahren, wie man ein Werkzeug zur Suche nach etwas Unsichtbarem baut, haben wir mit René Laureijs, Projektwissenschaftler für Euclid, gesprochen.

Ich sehe nur die Auswirkungen

Sowohl Dunkle Materie als auch Dunkle Energie sind theoretische Konstrukte, da wir guten Grund zu der Annahme haben, dass sie existieren, auch wenn keines von beiden jemals direkt entdeckt wurde. Stattdessen wissen wir, dass sie da sein müssen, weil wir ihre Auswirkungen auf das Universum sehen.

„Dunkle Materie ist etwas, von dem man nur die Auswirkungen sieht“, erklärte Laureijs. „Sie sehen also, wie sich etwas bewegt oder wie Dinge sich gegenseitig anziehen, und Sie wissen nicht, was die Ursache dafür ist. Wir sehen es auch in der Astronomie, dass Dinge angezogen werden oder sich bewegen, und wenn wir uns ansehen, was um uns herum passiert, können wir diese Bewegungen nicht durch die Anwesenheit gewöhnlicher Materie erklären.“

Diese Anziehungskraft macht sich erst in sehr großen Maßstäben wirklich bemerkbar, wenn man Objekte von der Größe von Galaxien betrachtet. Zuerst dachten die Astronomen, dass vielleicht etwas mit ihrer Beschreibung der Schwerkraft nicht stimmte und dass sie deshalb auf astronomischen Maßstäben anders aussah. Mittlerweile sind sie jedoch weitgehend davon überzeugt, dass es sich um ein Partikel handelt, das diese Effekte verursacht, obwohl die Entdeckung des Partikels selbst eine ständige Herausforderung darstellt. „Wir haben es noch nie gesehen, aber wir sehen indirekte Beweise für etwas, das sich wie Materie verhält, aber nicht gesehen werden kann.“ Und das nennen wir dunkle Materie“, sagte Laureijs.

Und dann ist da noch die dunkle Energie. Es ähnelt der Dunklen Materie darin, dass es sich um ein Konstrukt handelt, das zur Erklärung unerwarteter Beobachtungen über das Universum verwendet wird. Der Unterschied liegt jedoch darin, dass Astronomen davon ausgehen, dass es sich möglicherweise eher um eine Energieform als um ein Teilchen handelt. Es wird verwendet, um die Expansion des Universums zu erklären. Wir wissen, dass sich das Universum ausdehnt, aber Beobachtungen mit neuen Instrumenten wie dem Hubble-Weltraumteleskop in den 1990er Jahren schockierten die Astronomen, indem sie zeigten, dass sich die Expansionsrate beschleunigte.

„Es ist ein sehr subtiler Effekt, aber durch die genaue Messung der Entfernungen zu entfernten Galaxien haben die Menschen einen Effekt.“ entdeckte vor 20 Jahren, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern sogar beschleunigt.“ Laureijs erklärt. „Das bedeutet, dass es eine zusätzliche Energie gibt, die die Galaxien hinaustreibt, und es stellt sich heraus, dass diese Beschleunigung in der Mitte des Zeitalters des Universums, vor etwa 6 Milliarden Jahren, begann.“ Das ist wirklich ein Rätsel, warum das passiert ist. Es gibt also eine zusätzliche Kraft, die der Schwerkraft entgegenwirkt und alle Galaxien beschleunigt nach außen drückt, und das nennen wir dunkle Energie.“

Das wirklich Bemerkenswerte an Dunkler Materie und Dunkler Energie ist ihre Verbreitung. Wenn man die Gesamtenergiekomponente des Universums betrachtet, aktuelle Schätzungen zeigen, dass etwa 68 % des Universums aus dunkler Energie besteht, während 27 % aus dunkler Materie bestehen. Die gesamte normale Materie, die wir um uns herum sehen – jeder Stern, jeder Planet, jedes Gasmolekül – macht zusammen nur 5 % von allem aus, was existiert.

Es gibt also 95 % des Universums, die wir kaum verstehen. „Das ist das größte Rätsel, das wir derzeit in der Physik und Astronomie haben“, sagte Laureijs. „Als Astronom ist es wirklich großartig, zu diesem Zeitpunkt zu sein und an diesem Problem zu arbeiten.“

Wie man das Unsichtbare jagt

Die traditionelle Methode zur Suche nach dunkler Energie bestand darin, die Ausdehnung des Universums durch die Beobachtung von Supernovae zu messen. Wenn eine Supernova in einer entfernten Galaxie explodiert, können wir die Energie verfolgen, die sie abgibt, um abzuschätzen, wie weit sie entfernt ist – aber es gibt sie Einschränkungen dieses Ansatzes. Daher wurden in den letzten Jahrzehnten zwei neue Methoden zur Messung der Ausdehnung des Universums entwickelt, und Euklid wird beide nutzen.

Die erste Methode besteht darin, die Verteilung der Galaxien im Universum zu betrachten. Astronomen betrachten die Entfernung zu einer Galaxie und beobachten ihre Rotverschiebung (das Ausmaß, in dem das Licht dieser Galaxie wird zum roten Ende des Spektrums verschoben) und daraus können sie ableiten, wie schnell sich die Galaxie davon entfernt uns.

Die zweite Methode besteht darin, das zu beobachten Verteilung der Dunklen Materie. Wir wissen, dass die Verteilung der gewöhnlichen Materie der Verteilung der dunklen Materie folgt, und dass es da draußen viel mehr dunkle Materie als gewöhnliche Materie gibt. Die Gravitationseffekte der Dunklen Materie können durch eine Technik namens Gravitationslinsen sichtbar gemacht werden, bei der die Masse der Dunklen Materie das Licht um sie herum beugt.

Aus diesem Grund sucht Euklid sowohl nach dunkler Materie als auch nach dunkler Energie – denn wenn wir etwas über das eine erfahren, können wir auch etwas über das andere lernen.

Ein unglaubliches Maß an Präzision

Um die Arten von Daten zu sammeln, die zur Untersuchung von Dunkler Energie und Dunkler Materie erforderlich sind, sind die Werkzeuge konzeptionell relativ einfach. Euclid verfügt über zwei Hauptinstrumente: eine Infrarotkamera/Spektrometer und eine riesige optische Kamera.

Das Infrarotinstrument verfügt über verschiedene Filter und Gitterprismen, mit denen es die Rotverschiebung entfernter Galaxien messen kann, die anzeigt, wie weit sie sich von uns entfernen. Die optische Kamera ist ein Mosaik aus 36 Sensoren, die eine Gesamtauflösung von über 600 Megapixeln ergeben, was zu extrem scharfen Bildern führt, wie bei einer viel präziseren Version einer Digitalkamera. Und dann ist da noch das Teleskop selbst mit seinem 1,2-Meter-Spiegel.

Die Herausforderung beim Bau der Hardware liegt in der unglaublich hohen Präzision, die erforderlich ist. Die Verzerrungen, nach denen Wissenschaftler aufgrund der Anwesenheit dunkler Materie und dunkler Energie suchen, sind so gering dass die Instrumente unglaublich empfindlich sein müssen, um selbst kleinste Schwankungen der Messwerte zu erfassen. Das bedeutet jedoch, dass jede Änderung der Umgebung des Teleskops selbst die Daten erheblich verfälschen kann. Sogar etwas so Kleines wie das Einschalten der Elektronik im Satelliten wird sich in den Messwerten bemerkbar machen.

„Das Teleskop wurde so gebaut, dass es äußerst stabil ist und sehr scharfe Bilder liefert“, sagte Laureijs. „Und es hat ein sehr großes Sichtfeld. Wenn man alles zusammenfügt – stabil, scharf und großes Sichtfeld – erhält man ein unmögliches Design! Es ist also sehr schwierig.“

Eine Möglichkeit, wie das Team dieses Designproblem angeht, besteht darin, das Teleskop in den Weltraum zu bringen, wo es sich in einer weitaus größeren Entfernung befindet In einer stabilen Umgebung können Bilder vier- bis fünfmal schärfer aufgenommen werden als das schärfste Bild, das aufgenommen werden konnte Erde. Aber es gibt immer noch das Problem des Sonnenlichts, da die Ausrichtung des Satelliten relativ zur Sonne verändert, wie viel Wärme er empfängt. Schon eine Energieänderung von wenigen Milliwatt reicht aus, um von den Instrumenten erkannt zu werden.

Das größte Problem, mit dem Teleskopdesigner zu kämpfen haben, ist die Erweiterung. Wenn Materialien heiß werden, dehnen sie sich aus, und schon eine kleine Temperaturschwankung könnte dazu führen, dass Teile des Teleskops anschwellen und die Daten verfälschen.

Daher bestehen die meisten Euklid-Komponenten aus einem bemerkenswerten Material namens Siliziumkarbid. Diese Keramik hat einen extrem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, was bedeutet, dass sie sich bei Hitze kaum ausdehnt. Und da es in allen Instrumenten verwendet wird, erfolgt die Ausdehnung gleichmäßig, wenn sie sich tatsächlich ausdehnt. Sogar die Rahmen für die Sensoren bestehen aus Siliziumkarbid, ebenso wie der Hauptspiegel des Teleskops. Der Spiegel wurde mit einer Toleranz von wenigen Nanometern hochglanzpoliert, ein Prozess, der fast ein Jahr dauerte.

All diese Sorgfalt bedeutet, dass der Satellit äußerst stabil ist und scharfe, genaue Bilder aufnehmen kann.

Der Menschheit etwas anbieten

Während das Studium der Dunklen Materie und Dunklen Energie vor allem für die theoretische Physik von Bedeutung ist, kann die Jagd auch praktische Auswirkungen haben. Erstens könnten die für Projekte wie Euclid konzipierte Hardware und die entwickelten Messtechniken in ganz unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden. Zweitens ist da noch die reiche Fülle an Daten, die Euklid sammeln wird.

„Mit unseren Daten messen wir nicht nur dunkle Energie und dunkle Materie, sondern fotografieren alles, was wir am Himmel in diesen Wellenlängen sehen“, sagte Laureijs. „Da steckt also viel mehr Astronomie drin. Und das ist auch ein spannender Teil, denn wir bieten der Menschheit, den Astronomen etwas so Neues. In acht Jahren können Sie auf der Website der ESA zu jeder Position am Himmel gehen und mit enormer Auflösung sehen, wie sie bis zu einer Tiefe von 10 Millionen Jahren aussieht.“

In erster Linie geht es bei der Suche nach dunkler Materie und dunkler Energie jedoch darum, zu verstehen, wie unser Universum auf den grundlegendsten Grundlagen funktioniert Ebene und Beantwortung einer Frage, die derzeit völlig verwirrend ist: „Was wir um uns herum sehen, ist nur 5 % von dem, was es in unserem Universum gibt.“ Die anderen 95 % sind dunkle Materie und dunkle Energie, was wir kaum erklären können“, sagte Laureijs. „Das ist für mich der Hauptgrund, warum wir Euklid machen.“

Es ist diese seltsame, unerklärliche Frage, woraus das Universum besteht, die Wissenschaftler, Ingenieure und Astronomen antreibt, die an dunkler Materie arbeiten. Denn was wir um uns herum sehen, kratzt nur an der Oberfläche dessen, was im Unbekannten existiert.