Ίσως το μεγαλύτερο ερώτημα στην αστρονομία αυτή τη στιγμή είναι αυτό που ακούγεται απλό: Από τι αποτελείται το σύμπαν; Γνωρίζουμε για τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια και γνωρίζουμε ότι αυτά τα σωματίδια συνδυάζονται για να δημιουργήσουν το σύμπαν που παρατηρούμε: αστέρια, πλανήτες, κομήτες και μαύρες τρύπες.
Περιεχόμενα
- Βλέποντας μόνο τα αποτελέσματα
- Πώς να κυνηγήσετε το αόρατο
- Απίστευτο επίπεδο ακρίβειας
- Προσφέροντας κάτι στην ανθρωπότητα
Αλλά όλα αυτά είναι μόνο ένα μικρό κλάσμα αυτού που υπάρχει. Η συνηθισμένη ύλη, αυτό που οι αστρονόμοι αποκαλούν βαρυονική ύλη, είναι μειοψηφία όταν εξετάζετε το σύμπαν μας ως σύνολο. Το σύμπαν στην πραγματικότητα κυριαρχείται από τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια, δύο μυστηριώδη πράγματα που δεν έχουμε εντοπίσει ποτέ άμεσα.
Προτεινόμενα βίντεο
Για να διερευνήσει αυτό το πιο περίεργο παζλ, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ESA) κατασκευάζει τον Ευκλείδη χώρο τηλεσκόπιο, ένα έργο αιχμής για τη διερεύνηση τόσο της σκοτεινής ύλης όσο και της σκοτεινής ενέργειας που θα εκτοξευθεί το 2022.
Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τον τρόπο κατασκευής ενός εργαλείου για να αναζητήσετε κάτι αόρατο, μιλήσαμε με τον René Laureijs, επιστήμονα του έργου του Euclid.
Βλέποντας μόνο τα αποτελέσματα
Τόσο η σκοτεινή ύλη όσο και η σκοτεινή ενέργεια είναι θεωρητικές κατασκευές, δεδομένου ότι έχουμε βάσιμους λόγους να πιστεύουμε ότι υπάρχουν, παρόλο που καμία δεν έχει ποτέ εντοπιστεί άμεσα. Αντίθετα, γνωρίζουμε ότι πρέπει να είναι εκεί γιατί βλέπουμε τις επιπτώσεις τους στο σύμπαν.
«Η σκοτεινή ύλη είναι κάτι που βλέπεις μόνο τα αποτελέσματα», εξήγησε ο Laureijs. «Έτσι, βλέπετε κάτι να κινείται ή πράγματα να ελκύονται μεταξύ τους και δεν ξέρετε τι το προκαλεί. Βλέπουμε επίσης στην αστρονομία ότι τα πράγματα έλκονται ή τα πράγματα κινούνται, και κοιτάζοντας τι συμβαίνει γύρω, δεν μπορούμε να εξηγήσουμε αυτές τις κινήσεις με την παρουσία της συνηθισμένης ύλης».
Αυτή η έλξη είναι πραγματικά αισθητή μόνο σε πολύ μεγάλες κλίμακες, κοιτάζοντας αντικείμενα στο μέγεθος των γαλαξιών. Στην αρχή, οι αστρονόμοι σκέφτηκαν ότι ίσως κάτι δεν πήγαινε καλά με την περιγραφή της βαρύτητας, και γι' αυτό φαινόταν διαφορετικό σε αστρονομικές κλίμακες. Αλλά τώρα είναι σε μεγάλο βαθμό πεπεισμένοι ότι είναι ένα σωματίδιο που προκαλεί αυτά τα αποτελέσματα, αν και η ανίχνευση του ίδιου του σωματιδίου είναι μια συνεχής πρόκληση. «Δεν το έχουμε δει ποτέ, αλλά βλέπουμε έμμεσα στοιχεία για κάτι που συμπεριφέρεται σαν ύλη αλλά δεν μπορεί να φανεί. Και αυτό είναι αυτό που λέμε σκοτεινή ύλη», είπε ο Laureijs.
Και μετά υπάρχει σκοτεινή ενέργεια. Είναι παρόμοιο με τη σκοτεινή ύλη καθώς είναι μια κατασκευή που χρησιμοποιείται για να εξηγήσει απροσδόκητες παρατηρήσεις για το σύμπαν. Αλλά είναι πολύ διαφορετικό στο ότι οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι μπορεί να είναι μια μορφή ενέργειας, παρά ένα σωματίδιο. Χρησιμοποιείται για να εξηγήσει τη διαστολή του σύμπαντος. Γνωρίζουμε ότι το σύμπαν διαστέλλεται, αλλά οι παρατηρήσεις στη δεκαετία του 1990 από νέα εργαλεία όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble συγκλόνισαν τους αστρονόμους δείχνοντας ότι ο ρυθμός διαστολής επιταχύνθηκε.
«Αυτό είναι το μεγαλύτερο παζλ που έχουμε αυτή τη στιγμή στη φυσική και την αστρονομία».
«Είναι ένα πολύ λεπτό αποτέλεσμα, αλλά μετρώντας με ακρίβεια τις αποστάσεις από μακρινούς γαλαξίες, οι άνθρωποι έχουν ανακάλυψε πριν από 20 χρόνια ότι το σύμπαν όχι μόνο διαστέλλεται, αλλά διαστέλλεται με επιταχυνόμενο τρόπο». Laureijs εξήγησε. «Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει μια επιπλέον ενέργεια που ωθεί τους γαλαξίες έξω, και αποδεικνύεται ότι αυτή η επιτάχυνση ξεκίνησε στα μισά της ηλικίας του σύμπαντος, περίπου 6 δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Αυτό είναι πραγματικά ένα παζλ, γιατί συνέβη αυτό. Υπάρχει λοιπόν μια επιπλέον δύναμη που δρα ενάντια στη βαρύτητα, σπρώχνοντας όλους τους γαλαξίες προς τα έξω με επιταχυνόμενο τρόπο, και αυτό ονομάζουμε σκοτεινή ενέργεια».
Αυτό που είναι πραγματικά αξιοσημείωτο σχετικά με τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια είναι πόσο διαδεδομένες είναι. Όταν εξετάζουμε το συνολικό ενεργειακό συστατικό του σύμπαντος, τρέχουσες εκτιμήσεις δείχνουν ότι περίπου το 68% του σύμπαντος είναι σκοτεινή ενέργεια, ενώ το 27% είναι σκοτεινή ύλη. Όλη η κανονική ύλη που βλέπουμε γύρω μας –κάθε αστέρι, κάθε πλανήτης, κάθε μόριο αερίου– αντιστοιχεί μόλις στο 5% όλων όσων υπάρχουν.
Άρα υπάρχει το 95% του σύμπαντος που σχεδόν δεν καταλαβαίνουμε καθόλου. «Αυτό είναι το μεγαλύτερο παζλ που έχουμε αυτή τη στιγμή στη φυσική και την αστρονομία», είπε ο Laureijs. «Ως αστρονόμος, είναι πραγματικά υπέροχο να βρίσκομαι σε αυτή τη χρονική στιγμή, να εργάζομαι πάνω σε αυτό το πρόβλημα».
Πώς να κυνηγήσετε το αόρατο
Η παραδοσιακή μέθοδος για την αναζήτηση της σκοτεινής ενέργειας ήταν η μέτρηση της διαστολής του σύμπαντος με την παρατήρηση σουπερνόβα. Εάν ένα σουπερνόβα εκραγεί σε έναν μακρινό γαλαξία, μπορούμε να παρακολουθήσουμε την ενέργεια που εκπέμπει για να εκτιμήσουμε πόσο μακριά είναι - αλλά υπάρχουν περιορισμούς αυτής της προσέγγισης. Έτσι, τις τελευταίες δεκαετίες, έχουν επινοηθεί δύο νέες μέθοδοι για τη μέτρηση της διαστολής του σύμπαντος και ο Ευκλείδης θα χρησιμοποιήσει και τις δύο.
Η πρώτη μέθοδος είναι να εξετάσουμε την κατανομή των γαλαξιών σε όλο το σύμπαν. Οι αστρονόμοι κοιτάζουν την απόσταση από έναν γαλαξία και παρατηρούν την ερυθρή μετατόπισή του (ο βαθμός στον οποίο το φως από αυτόν τον γαλαξία μετατοπίζεται στο κόκκινο άκρο του φάσματος), και από αυτό μπορούν να καταλάβουν πόσο γρήγορα απομακρύνεται ο γαλαξίας από μας.
Η δεύτερη μέθοδος είναι η παρατήρηση του κατανομή της σκοτεινής ύλης. Γνωρίζουμε ότι η κατανομή της συνηθισμένης ύλης ακολουθεί την κατανομή της σκοτεινής ύλης και υπάρχει πολύ περισσότερη σκοτεινή ύλη από τη συνηθισμένη ύλη εκεί έξω. Τα βαρυτικά αποτελέσματα της σκοτεινής ύλης μπορούν να φανούν μέσω μιας τεχνικής που ονομάζεται βαρυτικός φακός, στην οποία η μάζα της σκοτεινής ύλης κάμπτει το φως γύρω της.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ο Ευκλείδης ψάχνει τόσο για τη σκοτεινή ύλη όσο και για τη σκοτεινή ενέργεια – γιατί η μάθηση για τη μία μπορεί επίσης να μας διδάξει για την άλλη.
Απίστευτο επίπεδο ακρίβειας
Για τη συλλογή των ειδών δεδομένων που απαιτούνται για τη μελέτη της σκοτεινής ενέργειας και της σκοτεινής ύλης, τα εργαλεία είναι εννοιολογικά σχετικά απλά. Ο Ευκλείδης έχει δύο κύρια όργανα: Μια υπέρυθρη κάμερα/φασματόμετρο και μια τεράστια οπτική κάμερα.
Το υπέρυθρο όργανο έχει διάφορα φίλτρα και πρίσματα τριψίματος που του επιτρέπουν να μετράει την ερυθρή μετατόπιση μακρινών γαλαξιών, κάτι που δείχνει πόσο μακριά απομακρύνονται από εμάς. Η οπτική κάμερα είναι ένα μωσαϊκό 36 αισθητήρων που δίνουν συνολική ανάλυση άνω των 600 megapixel, η οποία έχει ως αποτέλεσμα εξαιρετικά ευκρινείς εικόνες, όπως μια πολύ πιο ακριβής έκδοση μιας ψηφιακής κάμερας. Και μετά υπάρχει το ίδιο το τηλεσκόπιο με τον καθρέφτη του 1,2 μέτρων.
Η πρόκληση της κατασκευής του υλικού είναι το απίστευτα υψηλό επίπεδο ακρίβειας που απαιτείται. Οι παραμορφώσεις που αναζητούν οι επιστήμονες λόγω της παρουσίας της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας είναι τόσο μικρές ότι τα όργανα πρέπει να είναι απίστευτα ευαίσθητα, ικανά να ανιχνεύουν ακόμη και τις πιο μικρές διακυμάνσεις στις ενδείξεις. Αλλά αυτό σημαίνει ότι οποιαδήποτε αλλαγή στο περιβάλλον του ίδιου του τηλεσκοπίου μπορεί να παραμορφώσει τα δεδομένα σε μεγάλο βαθμό. Ακόμη και κάτι τόσο μικρό όπως η ενεργοποίηση των ηλεκτρονικών εντός του δορυφόρου θα είναι αντιληπτό στις μετρήσεις που χρειάζεται.
«Το τηλεσκόπιο έχει κατασκευαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι εξαιρετικά σταθερό και να δίνει πολύ ευκρινείς εικόνες», είπε ο Laureijs. «Και έχει πολύ μεγάλο οπτικό πεδίο. Αν συνδυάσετε τα πάντα – σταθερό, ευκρινές και μεγάλο οπτικό πεδίο – θα έχετε ένα αδύνατο σχέδιο! Άρα είναι πολύ δύσκολο».
Ένας τρόπος με τον οποίο η ομάδα προσεγγίζει αυτό το σχεδιαστικό πρόβλημα είναι να τοποθετήσει το τηλεσκόπιο στο διάστημα, όπου θα βρίσκεται σε πολύ περισσότερο σταθερό περιβάλλον και μπορεί να τραβήξει εικόνες τέσσερις έως πέντε φορές πιο ευκρινείς από την ευκρινέστερη εικόνα από την οποία θα μπορούσε να ληφθεί Γη. Αλλά εξακολουθεί να υπάρχει το πρόβλημα του ηλιακού φωτός, καθώς η προσαρμογή του δορυφόρου σε σχέση με τον ήλιο θα αλλάξει την ποσότητα της θερμότητας που λαμβάνει. Ακόμη και μια αλλαγή μερικών milliwatts ενέργειας είναι αρκετή για να εντοπιστεί από τα όργανα.
Το μεγαλύτερο ζήτημα που πρέπει να αντιμετωπίσουν οι σχεδιαστές τηλεσκοπίων είναι η επέκταση. Όταν τα υλικά θερμαίνονται, διαστέλλονται και ακόμη και μια μικρή διακύμανση της θερμοκρασίας θα μπορούσε να προκαλέσει διόγκωση τμημάτων του τηλεσκοπίου και να εισάγει παραμορφώσεις στα δεδομένα.
Ως αποτέλεσμα, τα περισσότερα από τα συστατικά του Ευκλείδη είναι κατασκευασμένα από ένα αξιόλογο υλικό που ονομάζεται καρβίδιο του πυριτίου. Αυτό το κεραμικό έχει εξαιρετικά χαμηλό συντελεστή διαστολής, που σημαίνει ότι διαστέλλεται πολύ λίγο όταν ζεσταίνεται. Και επειδή χρησιμοποιείται σε όλα τα όργανα, αν επεκτείνεται, το κάνει με ομοιόμορφο τρόπο. Ακόμη και τα πλαίσια για τους αισθητήρες είναι κατασκευασμένα από καρβίδιο του πυριτίου, όπως και ο κύριος καθρέφτης για το τηλεσκόπιο. Ο καθρέφτης έχει γυαλιστεί εξαιρετικά με ανοχή μερικών νανόμετρων, μια διαδικασία που κράτησε σχεδόν ένα χρόνο.
Όλη αυτή η φροντίδα σημαίνει ότι ο δορυφόρος είναι εξαιρετικά σταθερός και θα μπορεί να τραβήξει ευκρινείς, ακριβείς εικόνες.
Προσφέροντας κάτι στην ανθρωπότητα
Ενώ η μελέτη της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας είναι κυρίως σημαντική για τη θεωρητική φυσική, το κυνήγι μπορεί να έχει και πρακτικές επιπτώσεις. Πρώτον, το υλικό που έχει σχεδιαστεί για έργα όπως το Euclid και οι τεχνικές μέτρησης που αναπτύσσονται θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε μια ολόκληρη σειρά διαφορετικών πεδίων. Δεύτερον, υπάρχει ο πλούσιος πλούτος δεδομένων που θα συλλέξει ο Ευκλείδης.
«Με τα δεδομένα μας, όχι μόνο μετράμε τη σκοτεινή ενέργεια και τη σκοτεινή ύλη, αλλά τραβάμε φωτογραφίες ό, τι βλέπουμε στον ουρανό σε αυτά τα μήκη κύματος», είπε ο Laureijs. «Έτσι υπάρχει πολύ περισσότερη αστρονομία σε αυτό. Και αυτό είναι επίσης ένα συναρπαστικό μέρος, γιατί προσφέρουμε κάτι στην ανθρωπότητα, στους αστρονόμους που είναι τόσο νέο. Οκτώ χρόνια από τώρα, μπορείτε να μεταβείτε στον ιστότοπο της ESA και να πάτε σε οποιαδήποτε θέση στον ουρανό και να δείτε πώς φαίνεται, με τεράστια ανάλυση, σε βάθος 10 εκατομμυρίων ετών πριν».
Πρωτίστως, ωστόσο, η αναζήτηση για τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια αφορά την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο το σύμπαν μας λειτουργεί στα πιο θεμελιώδη επίπεδο, και απαντώντας σε μια ερώτηση που είναι εντελώς μπερδεμένη αυτή τη στιγμή: «Αυτό που βλέπουμε γύρω μας είναι μόνο το 5% αυτού που υπάρχει στο σύμπαν μας. Το άλλο 95% είναι η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια, κάτι που δύσκολα μπορούμε να εξηγήσουμε», είπε ο Laureijs. «Αυτός είναι, για μένα, ο θεμελιώδης λόγος που κάνουμε τον Ευκλείδη».
Είναι αυτό το περίεργο, ανεξήγητο ερώτημα από τι αποτελείται το σύμπαν που οδηγεί τους επιστήμονες, τους μηχανικούς και τους αστρονόμους που εργάζονται στη σκοτεινή ύλη. Γιατί αυτό που βλέπουμε γύρω μας είναι απλώς ξύσιμο της επιφάνειας αυτού που υπάρχει έξω στο άγνωστο.
