Tumeaine, universumi kõige salapärasema aine uurimine

Võib-olla on praegu astronoomia suurim küsimus, mis kõlab lihtsalt: millest universum koosneb? Me teame prootonitest, neutronitest ja elektronidest ning teame, et need osakesed ühinevad, et luua vaadeldav universum: tähed, planeedid, komeedid ja mustad augud.

Kuid see kõik on vaid väike osa olemasolevast. Tavaline aine, mida astronoomid nimetavad barüoonseks aineks, on meie universumit tervikuna vaadates vähemuses. Universumis domineerivad tegelikult tumeaine ja tumeenergia, kaks salapärast asja, mida me pole kunagi otseselt tuvastanud.

Selle kummalisema mõistatuse uurimiseks ehitab Euroopa Kosmoseagentuur (ESA) Eukleidese kosmose teleskoop, tipptasemel projekt nii tumeaine kui ka tumeenergia uurimiseks, mis käivitatakse aastal 2022.

Et saada lisateavet selle kohta, kuidas luua tööriist millegi nähtamatu otsimiseks, rääkisime Euclid projektiteadlase René Laureijsiga.

Nähes ainult mõjusid

Nii tumeaine kui ka tumeenergia on teoreetilised konstruktsioonid, kuna meil on põhjust uskuda, et need on olemas, kuigi kumbagi pole kunagi otseselt tuvastatud. Selle asemel teame, et nad peavad seal olema, sest näeme nende mõju universumile.

"Tumeaine on midagi, mille mõju näete ainult," selgitas Laureijs. "Nii et näete midagi liikumas või asju, mis üksteist meelitavad, ja te ei tea, mis seda põhjustab. Me näeme seda ka astronoomias, et asjad tõmbavad ligi või asjad liiguvad, ja vaadates, mis ümberringi toimub, ei saa me neid liikumisi seletada tavalise aine olemasoluga.

See külgetõmme on tõeliselt märgatav ainult väga suurtes skaalades, vaadates galaktikate suurusi objekte. Algul arvasid astronoomid, et võib-olla on nende gravitatsiooni kirjelduses midagi valesti ja seepärast nägi see astronoomilistel skaalal teistsugune välja. Kuid nad on nüüd suures osas veendunud, et see on osake, mis neid mõjusid põhjustab, kuigi osakese enda tuvastamine on pidev väljakutse. "Me pole seda kunagi näinud, kuid näeme kaudseid tõendeid millegi kohta, mis käitub nagu mateeria, kuid mida pole näha. Ja seda me nimetame tumeaineks, ”ütles Laureijs.

Ja siis on tume energia. See sarnaneb tumeainega, kuna see on konstruktsioon, mida kasutatakse universumi ootamatute tähelepanekute selgitamiseks. Kuid see on väga erinev selle poolest, et astronoomid arvavad, et see võib olla energia vorm, mitte osake. Seda kasutatakse universumi paisumise selgitamiseks. Me teame, et universum paisub, kuid 1990. aastatel tehtud vaatlused uutest tööriistadest, nagu Hubble'i kosmoseteleskoop, šokeerisid astronoome, näidates, et paisumiskiirus on kiirenev.

"See on väga peen efekt, kuid kaugete galaktikate kaugusi täpselt mõõtes on inimestel avastas 20 aastat tagasi, et universum mitte ainult ei paisu, vaid paisub ka kiirendatud viisil. Laureijs selgitas. "See tähendab, et galaktikad surub välja lisaenergia ja selgub, et see kiirendus sai alguse poole universumi ajastu pealt, umbes 6 miljardit aastat tagasi. See on tõesti mõistatus, miks see juhtus. Seega mõjub gravitatsioonile vastu lisajõud, mis surub kõik galaktikad kiireneval viisil väljapoole, ja seda me nimetame tumeenergiaks.

Tumeaine ja tumeenergia puhul on tõeliselt tähelepanuväärne just see, kui levinud need on. Kui arvestada universumi koguenergia komponenti, praegused hinnangud näitavad, et umbes 68% universumist on tumeenergia ja 27% tumeaine. Kogu tavaline aine, mida me enda ümber näeme – iga täht, iga planeet, iga gaasimolekul – moodustab vaid 5% kõigest olemasolevast.

Seega on 95% universumist, millest me vaevu üldse aru saame. "See on suurim mõistatus, mis meil praegu füüsikas ja astronoomias on," ütles Laureijs. "Astronoomina on väga hea olla praegusel ajahetkel ja selle probleemiga tegeleda."

Kuidas jahtida nähtamatut

Traditsiooniline meetod tumeenergia otsimiseks on olnud universumi paisumise mõõtmine supernoovade vaatlemise teel. Kui supernoova plahvatab kauges galaktikas, saame jälgida selle energiat, et hinnata, kui kaugel see asub – kuid selle lähenemisviisi piirangud. Nii et viimastel aastakümnetel on universumi paisumise mõõtmiseks välja töötatud kaks uut meetodit ja Euclid kasutab mõlemat.

Esimene meetod on vaadata galaktikate jaotumist universumis. Astronoomid vaatavad kaugust galaktikast ja jälgivad selle punanihet (milleni ulatub valgus sellest galaktikast on nihutatud spektri punasesse otsa) ja sellest saavad nad välja selgitada, kui kiiresti galaktika eemaldub meie.

Teine meetod on jälgida tumeaine jaotus. Teame, et tavaaine jaotus järgib tumeaine jaotumist ja seal on palju rohkem tumeainet kui tavalist ainet. Tumeaine gravitatsiooniefekte saab näha läbi tehnika, mida nimetatakse gravitatsiooniläätseks, mille käigus tumeaine mass painutab enda ümber valgust.

Seetõttu otsib Euclid nii tumeainet kui ka tumeenergiat – sest ühe tundmaõppimine võib õpetada meile ka teist.

Uskumatu täpsuse tase

Tumeenergia ja tumeaine uurimiseks vajalike andmete kogumiseks on vahendid kontseptuaalselt suhteliselt lihtsad. Euclidil on kaks peamist instrumenti: infrapunakaamera/spektromeeter ja hiiglaslik optiline kaamera.

Infrapunainstrumendil on erinevad filtrid ja võreprismad, mis võimaldavad mõõta kaugete galaktikate punanihet, mis näitab, kui kaugele nad meist eemalduvad. Optiline kaamera on 36 sensorist koosnev mosaiik, mis annavad kokku üle 600-megapikslise eraldusvõime, mille tulemuseks on äärmiselt teravad pildid, nagu digikaamera palju täpsem versioon. Ja siis on teleskoop ise oma 1,2-meetrise peegliga.

Riistvara ehitamise väljakutse on uskumatult kõrge täpsuse nõue. Moonutused, mida teadlased tumeaine ja tumeenergia olemasolu tõttu otsivad, on nii väikesed et instrumendid peavad olema uskumatult tundlikud, suutma tabada isegi väikseimaid näitude kõikumisi. Kuid see tähendab, et kõik muudatused teleskoobi enda keskkonnas võivad andmeid oluliselt moonutada. Isegi nii väike asi, nagu elektroonika sisselülitamine satelliidi sees, on selle näitude põhjal märgatav.

"Teleskoop on ehitatud nii, et see on äärmiselt stabiilne ja annab väga teravaid pilte," ütles Laureijs. "Ja sellel on väga suur vaateväli. Kui kõik kokku panna – stabiilne, terav ja suur vaateväli – saad võimatu disaini! Nii et see on väga raske."

Üks viis, kuidas meeskond sellele disainiprobleemile läheneb, on teleskoobi paigutamine kosmosesse, kus see on palju kaugemal. stabiilne keskkond ja suudab jäädvustada neli kuni viis korda teravamaid pilte kui teravaim pilt, millest saaks jäädvustada Maa. Kuid päikesevalguse probleem on endiselt olemas, kuna satelliidi kohandamine päikese suhtes muudab selle vastuvõetavat soojust. Isegi mõne millivati ​​suurusest energiamuutusest piisab, et instrumendid seda tuvastada.

Suurim probleem, millega teleskoobidisainerid peavad võitlema, on laienemine. Kui materjalid kuumenevad, need paisuvad ja isegi väike temperatuurikõikumine võib põhjustada teleskoobi osade paisumist ja andmetesse moonutusi.

Selle tulemusena on enamik Euclid komponente valmistatud märkimisväärsest materjalist, mida nimetatakse ränikarbiidiks. Sellel keraamikal on äärmiselt madal paisumiskoefitsient, mis tähendab, et see paisub kuumades väga vähe. Ja kuna seda kasutatakse kõigis instrumentides, siis kui see laieneb, teeb see seda ühtlaselt. Isegi andurite raamid on valmistatud ränikarbiidist, nagu ka teleskoobi põhipeegel. Peegel on mõne nanomeetri tolerantsiga kõrgelt poleeritud, protsess, mis võttis aega peaaegu aasta.

Kogu see hooldus tähendab, et satelliit on äärmiselt stabiilne ja suudab jäädvustada teravaid ja täpseid pilte.

Pakkudes midagi inimkonnale

Kuigi tumeaine ja tumeenergia uurimine on teoreetilise füüsika jaoks enamasti oluline, võib jahil olla ka praktilisi tagajärgi. Esiteks saab selliste projektide jaoks nagu Euclid mõeldud riistvara ja väljatöötatavaid mõõtmistehnikaid kasutada paljudes erinevates valdkondades. Teiseks, seal on rikkalikult andmeid, mida Euclid kogub.

"Meie andmetega ei mõõda me mitte ainult tumedat energiat ja tumeainet, vaid pildistame kõike, mida nendel lainepikkustel taevas näeme," ütles Laureijs. "Nii et selles on palju rohkem astronoomiat. Ja see on ka põnev osa, sest me pakume inimkonnale, astronoomidele midagi nii uut. Kaheksa aasta pärast võite minna ESA veebisaidile ja minna ükskõik millisesse kohta taevas ja vaadata, kuidas see tohutu eraldusvõimega välja näeb 10 miljoni aasta eest.

Peamiselt seisneb tumeaine ja tumeenergia otsimine siiski mõistmises, kuidas meie universum toimib kõige fundamentaalsemal. tasemel ja vastates küsimusele, mis on praegu täiesti hämmingus: „See, mida me enda ümber näeme, on vaid 5% sellest, mis meie universumis on. Ülejäänud 95% on tumeaine ja tumeenergia, mida me vaevalt seletame, ”ütles Laureijs. "See on minu jaoks peamine põhjus, miks me Eukleidest teeme."

Just see kummaline, seletamatu küsimus, millest universum koosneb, ajendab tumeainega tegelevaid teadlasi, insenere ja astronoome. Sest see, mida me enda ümber näeme, kriibib ainult tundmatuses eksisteeriva pinda.