Pimeän aineen, maailmankaikkeuden salaperäisimmän aineen, tutkiminen

Ehkäpä suurin kysymys tähtitieteessä tällä hetkellä on yksinkertaiselta kuulostava kysymys: Mistä maailmankaikkeus on tehty? Tiedämme protoneista, neutroneista ja elektroneista, ja tiedämme, että nämä hiukkaset muodostavat universumin, jota tarkastelemme: tähdet, planeetat, komeetat ja mustat aukot.

Mutta kaikki tämä on vain pieni murto-osa siitä, mitä on olemassa. Tavallinen aine, mitä tähtitieteilijät kutsuvat baryoniseksi aineeksi, on vähemmistössä, kun tarkastellaan universumiamme kokonaisuutena. Universumia hallitsevat itse asiassa pimeä aine ja pimeä energia, kaksi mystistä asiaa, joita emme ole koskaan havainneet suoraan.

Euroopan avaruusjärjestö ESA rakentaa Euclid-avaruutta tutkiakseen tätä kummallisinta arvoitusta teleskooppi, huippuluokan projekti, joka tutkii sekä pimeää ainetta että pimeää energiaa vuonna 2022.

Lisätietoja siitä, kuinka voit rakentaa työkalun etsimään jotain näkymätöntä, keskustelimme Euclidin projektitutkijan René Laureijsin kanssa.

Näkee vain vaikutukset

Sekä pimeä aine että pimeä energia ovat teoreettisia rakenteita, sillä meillä on hyvä syy uskoa niiden olemassaoloon, vaikka kumpaakaan ei ole koskaan havaittu suoraan. Sen sijaan tiedämme, että niiden on oltava siellä, koska näemme niiden vaikutukset maailmankaikkeuteen.

"Pimeä aine on jotain, jonka näet vain vaikutukset", Laureijs selitti. "Näet siis jonkin liikkeen tai asioiden vetävän toisiaan puoleensa, etkä tiedä, mikä sen aiheuttaa. Näemme myös tähtitieteessä, että asiat vetäytyvät puoleensa tai ne liikkuvat, ja kun katsomme mitä ympärillä tapahtuu, emme voi selittää näitä liikkeitä tavallisen aineen läsnäololla."

Tämä vetovoima on todella havaittavissa vain erittäin suuressa mittakaavassa, kun tarkastellaan galaksien kokoisia kohteita. Aluksi tähtitieteilijät ajattelivat, että heidän painovoimakuvauksessaan saattaa olla jotain vikaa, ja siksi se näytti erilaiselta tähtitieteellisissä mittakaavassa. Mutta he ovat nyt suurelta osin vakuuttuneita siitä, että se on hiukkanen, joka aiheuttaa nämä vaikutukset, vaikka itse hiukkasen havaitseminen on jatkuva haaste. "Emme ole koskaan nähneet sitä, mutta näemme epäsuoria todisteita jostakin, joka käyttäytyy aineena, mutta jota ei voida nähdä. Ja sitä me kutsumme pimeäksi aineeksi", Laureijs sanoi.

Ja sitten on pimeää energiaa. Se muistuttaa pimeää ainetta siinä mielessä, että se on rakennelma, jota käytetään selittämään odottamattomia havaintoja maailmankaikkeudesta. Mutta se on hyvin erilainen siinä mielessä, että tähtitieteilijät ajattelevat, että se voi olla energiamuoto hiukkasen sijaan. Sitä käytetään selittämään maailmankaikkeuden laajenemista. Tiedämme, että maailmankaikkeus laajenee, mutta 1990-luvulla tehdyt havainnot uusista työkaluista, kuten Hubble-avaruusteleskoopista, järkyttivät tähtitieteilijöitä osoittamalla, että laajenemisnopeus kiihtyi.

"Se on hyvin hienovarainen vaikutus, mutta mittaamalla tarkasti etäisyydet kaukaisiin galaksiin, ihmiset havaitsi 20 vuotta sitten, että maailmankaikkeus ei vain laajene, vaan laajenee kiihtyvällä tavalla." Laureijs selitti. "Se tarkoittaa, että galaksit työntävät ulos ylimääräistä energiaa, ja käy ilmi, että tämä kiihtyvyys alkoi universumin iän puolivälissä, noin 6 miljardia vuotta sitten. Se on todella arvoitus, miksi niin tapahtui. Joten painovoimaa vastaan ​​toimii ylimääräinen voima, joka työntää kaikkia galakseja ulospäin kiihtyvällä tavalla, ja sitä me kutsumme pimeäksi energiaksi."

Pimeässä aineessa ja pimeässä energiassa on todella merkittävää, kuinka yleisiä ne ovat. Kun tarkastellaan maailmankaikkeuden kokonaisenergiakomponenttia, tämänhetkiset arviot osoittavat, että noin 68 % maailmankaikkeudesta on pimeää energiaa ja 27 % on pimeää ainetta. Kaikki ympärillämme näkyvä normaali aine – jokainen tähti, jokainen planeetta, jokainen kaasumolekyyli – muodostaa vain 5 % kaikesta olemassa olevasta.

Joten on olemassa 95 % maailmankaikkeudesta, jota tuskin ymmärrämme ollenkaan. "Tämä on suurin arvoitus, joka meillä on tällä hetkellä fysiikan ja tähtitieteen alalla", Laureijs sanoi. "Tähtittäjänä on todella hienoa olla tässä vaiheessa ja työskennellä tämän ongelman parissa."

Kuinka metsästää näkymätöntä

Perinteinen menetelmä pimeän energian etsimiseen on ollut mitata maailmankaikkeuden laajenemista tarkkailemalla supernovaa. Jos supernova räjähtää kaukaisessa galaksissa, voimme seurata sen lähettämää energiaa ja arvioida, kuinka kaukana se on – mutta tämän lähestymistavan rajoituksia. Niinpä viime vuosikymmeninä on kehitetty kaksi uutta menetelmää maailmankaikkeuden laajenemisen mittaamiseksi, ja Eukleides tulee hyödyntämään molempia.

Ensimmäinen menetelmä on tarkastella galaksien jakautumista universumissa. Tähtitieteilijät tarkastelevat etäisyyttä galaksiin ja tarkkailevat sen punasiirtymää (astetta, jossa valo lähtee galaksista on siirtynyt spektrin punaiseen päähän), ja tästä he voivat selvittää, kuinka nopeasti galaksi siirtyy pois meille.

Toinen tapa on tarkkailla pimeän aineen jakautuminen. Tiedämme, että tavallisen aineen jakautuminen seuraa pimeän aineen jakautumista, ja pimeää ainetta on paljon enemmän kuin tavallista ainetta. Pimeän aineen gravitaatiovaikutuksia voidaan nähdä gravitaatiolinssitekniikalla, jossa pimeän aineen massa taivuttaa valoa ympärilleen.

Siksi Euclid etsii sekä pimeää ainetta että pimeää energiaa – koska toisen oppiminen voi opettaa meille myös toista.

Uskomaton tarkkuustaso

Pimeän energian ja pimeän aineen tutkimiseen tarvittavan tiedon keräämiseksi työkalut ovat käsitteellisesti suhteellisen yksinkertaisia. Euclidilla on kaksi pääinstrumenttia: infrapunakamera/spektrometri ja jättiläinen optinen kamera.

Infrapuna-instrumentissa on erilaisia ​​suodattimia ja hilaprismoja, joiden avulla se voi mitata kaukaisten galaksien punasiirtymän, joka osoittaa, kuinka kauas ne ovat siirtymässä meistä poispäin. Optinen kamera on 36 anturin mosaiikki, joiden kokonaisresoluutio on yli 600 megapikseliä, mikä johtaa erittäin teräviin kuviin, kuten digitaalikameran paljon tarkempi versio. Ja sitten on itse kaukoputki 1,2 metrin peilillään.

Laitteiston rakentamisen haasteena on vaadittava uskomattoman korkea tarkkuus. Vääristymät, joita tutkijat etsivät pimeän aineen ja pimeän energian vuoksi, ovat niin pieniä että instrumenttien on oltava uskomattoman herkkiä ja pystyttävä havaitsemaan pienimmätkin vaihtelut lukemissa. Mutta tämä tarkoittaa, että mikä tahansa muutos itse kaukoputken ympäristössä voi vääristää tietoja merkittävästi. Jopa niin pieni asia kuin elektroniikan kytkeminen päälle satelliitissa on havaittavissa sen suorittamissa lukemissa.

"Kaukoputki on rakennettu niin, että se on erittäin vakaa ja antaa erittäin teräviä kuvia", Laureijs sanoi. "Ja sillä on erittäin laaja näkökenttä. Jos yhdistät kaiken – vakaan, terävän ja suuren näkökentän – saat mahdottoman mallin! Joten se on erittäin vaikeaa."

Yksi tapa, jolla tiimi lähestyy tätä suunnitteluongelmaa, on sijoittaa kaukoputki avaruuteen, missä se on paljon kauempana. vakaassa ympäristössä ja voi ottaa neljästä viiteen kertaa terävämpiä kuvia kuin terävin kuva, josta voidaan ottaa Maapallo. Mutta auringonvalon ongelma on edelleen olemassa, koska satelliitin säätäminen suhteessa aurinkoon muuttaa sen vastaanottaman lämmön määrää. Jo muutaman milliwatin energian muutos riittää mittareiden havaittavaksi.

Suurin ongelma, jonka kanssa teleskooppisuunnittelijat joutuvat kamppailemaan, on laajentuminen. Kun materiaalit kuumenevat, ne laajenevat, ja pienikin lämpötilan vaihtelu voi aiheuttaa kaukoputken osien turpoamista ja vääristymiä tietoihin.

Tämän seurauksena suurin osa Euclid-komponenteista on rakennettu merkittävästä materiaalista, jota kutsutaan piikarbidiksi. Tällä keramiikalla on äärimmäisen alhainen laajenemiskerroin, mikä tarkoittaa, että se laajenee hyvin vähän kuumentuessaan. Ja koska sitä käytetään kaikissa instrumenteissa, jos se laajenee, se tekee sen tasaisesti. Jopa antureiden kehykset on valmistettu piikarbidista, kuten myös kaukoputken pääpeili. Peili on erittäin kiillotettu muutaman nanometrin toleranssiin, mikä prosessi kesti lähes vuoden.

Kaikki tämä huolenpito tarkoittaa, että satelliitti on erittäin vakaa ja pystyy ottamaan teräviä ja tarkkoja kuvia.

Tarjoaa jotain ihmiskunnalle

Vaikka pimeän aineen ja pimeän energian tutkiminen on enimmäkseen tärkeää teoreettisen fysiikan kannalta, metsästyksellä voi olla myös käytännön vaikutuksia. Ensinnäkin Euclidin kaltaisiin projekteihin suunniteltua laitteistoa ja kehitettyjä mittaustekniikoita voitaisiin käyttää useilla eri aloilla. Toiseksi, siellä on runsaasti tietoa, jonka Euclid kerää.

"Tietoillamme emme vain mittaa pimeää energiaa ja pimeää ainetta, vaan otamme kuvia kaikesta, mitä näemme taivaalla näillä aallonpituuksilla", Laureijs sanoi. "Joten siinä on paljon enemmän tähtitiedettä. Ja se on myös jännittävä osa, koska tarjoamme ihmiskunnalle, tähtitieteilijöille jotain niin uutta. Kahdeksan vuoden kuluttua voit mennä ESA: n verkkosivuille mihin tahansa kohtaan taivaalla ja katsoa, ​​miltä se näyttää valtavalla resoluutiolla 10 miljoonan vuoden syvyyteen asti.

Pimeän aineen ja pimeän energian etsinnässä on kuitenkin ennen kaikkea ymmärtää, kuinka universumimme toimii kaikkein perustavanlaatuisimpien tasolla, ja vastaamalla kysymykseen, joka on tällä hetkellä täysin hämmentävä: "Se, mitä näemme ympärillämme, on vain 5 % siitä, mitä universumissamme on. Loput 95 % on pimeää ainetta ja pimeää energiaa, jota emme voi tuskin selittää", Laureijs sanoi. "Tämä on mielestäni perimmäinen syy siihen, miksi teemme Eukleidetta."

Juuri tämä outo, selittämätön kysymys siitä, mistä maailmankaikkeus koostuu, ajaa tutkijoita, insinöörejä ja tähtitieteilijöitä, jotka työskentelevät pimeän aineen parissa. Koska se, mitä näemme ympärillämme, raapaa vain sen pintaa, mikä on olemassa tuntemattomassa.