Proučavanje tamne tvari, najtajanstvenije tvari u svemiru

Možda je trenutno najveće pitanje u astronomiji ono koje zvuči jednostavno: od čega je sačinjen svemir? Znamo za protone, neutrone i elektrone i znamo da se te čestice kombiniraju kako bi stvorile svemir koji promatramo: zvijezde, planete, komete i crne rupe.

Ali sve je to samo mali djelić onoga što postoji. Obična materija, koju astronomi nazivaju barionskom materijom, u manjini je kada promatrate naš svemir kao cjelinu. Svemirom zapravo dominiraju tamna tvar i tamna energija, dvije misteriozne stvari koje nikada nismo izravno otkrili.

Kako bi ispitala ovu najčudniju zagonetku, Europska svemirska agencija (ESA) gradi Euklidov svemir teleskop, vrhunski projekt za istraživanje tamne materije i tamne energije koji će biti lansiran u 2022.

Kako bismo saznali više o tome kako izgraditi alat za traženje nečega nevidljivog, razgovarali smo s Renéom Laureijsom, projektnim znanstvenikom za Euclid.

Gledajući samo efekte

I tamna tvar i tamna energija teoretski su konstrukti, jer imamo dobar razlog vjerovati da postoje, iako nijedna nikada nije izravno otkrivena. Umjesto toga, znamo da moraju biti tamo jer vidimo njihove učinke na svemir.

"Tamna tvar je nešto od čega vidite samo učinke", objasnio je Laureijs. “Dakle, vidite da se nešto kreće ili stvari privlače jedna drugu, a ne znate što je tome uzrok. U astronomiji također vidimo da se stvari privlače ili da se stvari kreću, a gledajući što se događa okolo, ne možemo objasniti ta kretanja prisutnošću obične materije.”

Ova privlačnost je stvarno primjetna samo na vrlo velikim razmjerima, gledajući objekte veličine galaksija. Astronomi su isprva mislili da možda nešto nije u redu s njihovim opisom gravitacije i da je zato ona izgledala drugačije na astronomskim skalama. Ali sada su uglavnom uvjereni da čestica uzrokuje te učinke, iako je otkrivanje same čestice stalni izazov. “Nikada to nismo vidjeli, ali vidimo neizravne dokaze za nešto što se ponaša kao materija, ali se ne može vidjeti. I to je ono što mi zovemo tamnom materijom,” rekao je Laureijs.

A tu je i tamna energija. Slična je tamnoj tvari po tome što je konstrukt koji se koristi za objašnjenje neočekivanih opažanja o svemiru. Ali vrlo je različito po tome što astronomi misle da bi to mogao biti oblik energije, a ne čestica. Koristi se za objašnjenje širenja svemira. Znamo da se svemir širi, ali promatranja iz 1990-ih s novim alatima poput svemirskog teleskopa Hubble šokirala su astronome pokazujući da se stopa širenja ubrzava.

“To je vrlo suptilan učinak, ali točnim mjerenjem udaljenosti do udaljenih galaksija, ljudi imaju otkrio je prije 20 godina da se svemir ne samo širi, već se širi na ubrzani način.” Laureijs objasnio. “To znači da postoji dodatna energija koja gura galaksije van, a pokazalo se da je ovo ubrzanje počelo na pola puta kroz starost svemira, prije oko 6 milijardi godina. To je stvarno zagonetka, zašto se to dogodilo. Dakle, postoji dodatna sila koja djeluje protiv gravitacije, gurajući sve galaksije prema van na ubrzani način, a to je ono što nazivamo tamnom energijom.”

Ono što je zaista nevjerojatno u vezi s tamnom tvari i tamnom energijom jest koliko su rasprostranjene. Kada se uzme u obzir ukupna energetska komponenta svemira, trenutne procjene pokazuju da je oko 68% svemira tamna energija, dok je 27% tamna tvar. Sva normalna materija koju vidimo oko sebe – svaka zvijezda, svaki planet, svaka molekula plina – čini samo 5% svega što postoji.

Dakle, postoji 95% svemira koji jedva da uopće razumijemo. "Ovo je trenutno najveća zagonetka koju imamo u fizici i astronomiji", rekao je Laureijs. "Kao astronomu, stvarno je sjajno biti u ovom trenutku, raditi na ovom problemu."

Kako loviti nevidljive

Tradicionalna metoda traženja tamne energije bila je mjerenje širenja svemira promatranjem supernova. Ako supernova eksplodira u udaljenoj galaksiji, možemo pratiti energiju koju emitira kako bismo procijenili koliko je daleko - ali postoje ograničenja ovog pristupa. Tako su u posljednjim desetljećima osmišljene dvije nove metode za mjerenje širenja svemira, a Euklid će koristiti obje.

Prva metoda je promatranje distribucije galaksija po svemiru. Astronomi gledaju udaljenost do galaksije i promatraju njen crveni pomak (stupanj do kojeg svjetlost iz te galaksije je pomaknut na crveni kraj spektra), i iz toga mogu izračunati koliko se brzo galaksija udaljava od nas.

Druga metoda je promatranje raspodjela tamne tvari. Znamo da distribucija obične materije slijedi distribuciju tamne materije, a tamo ima mnogo više tamne materije nego obične materije. Gravitacijski učinci tamne tvari mogu se vidjeti kroz tehniku ​​koja se zove gravitacijska leća, u kojoj masa tamne tvari savija svjetlost oko sebe.

Zbog toga Euklid traga i za tamnom tvari i za tamnom energijom – jer učenje o jednom može nas naučiti io drugom.

Nevjerojatna razina preciznosti

Za prikupljanje vrsta podataka potrebnih za proučavanje tamne energije i tamne tvari, alati su konceptualno relativno jednostavni. Euklid ima dva primarna instrumenta: infracrvenu kameru/spektrometar i ogromnu optičku kameru.

Infracrveni instrument ima razne filtere i rešetkaste prizme koje mu omogućuju mjerenje crvenog pomaka dalekih galaksija, što pokazuje koliko se one udaljavaju od nas. Optička kamera je mozaik od 36 senzora koji daju ukupnu rezoluciju od preko 600 megapiksela, što rezultira iznimno oštrim slikama, poput puno preciznije verzije digitalnog fotoaparata. A tu je i sam teleskop sa svojim zrcalom od 1,2 metra.

Izazov izrade hardvera je nevjerojatno visoka razina potrebne preciznosti. Izobličenja za kojima znanstvenici tragaju zbog prisutnosti tamne tvari i tamne energije tako su mala da instrumenti moraju biti nevjerojatno osjetljivi, sposobni uhvatiti čak i najmanje fluktuacije u očitanjima. Ali to znači da svaka promjena okoline samog teleskopa može u velikoj mjeri iskriviti podatke. Čak i nešto tako malo kao što je uključivanje elektronike unutar satelita bit će vidljivo u očitanjima koja uzima.

"Teleskop je napravljen na takav način da je izuzetno stabilan i daje vrlo oštre slike", rekao je Laureijs. “Ima vrlo veliko vidno polje. Kad sve spojite – stabilno, oštro i veliko vidno polje – dobijete nemoguć dizajn! Tako da je jako teško.”

Jedan od načina na koji tim pristupa ovom problemu dizajna je postavljanje teleskopa u svemir, gdje će biti u daleko većem stabilno okruženje i može snimiti slike četiri do pet puta oštrije od najoštrije slike s koje se može snimiti Zemlja. Ali još uvijek postoji problem sunčeve svjetlosti, jer će podešavanje satelita u odnosu na sunce promijeniti koliko topline prima. Čak je i promjena od nekoliko milivata energije dovoljna da je detektiraju instrumenti.

Najveći problem s kojim se dizajneri teleskopa moraju boriti je proširenje. Kad se materijali zagriju, oni se šire, pa čak i mala fluktuacija temperature može uzrokovati oticanje dijelova teleskopa i unijeti izobličenja u podatke.

Kao rezultat toga, većina Euclid komponenti izgrađena je od izvanrednog materijala zvanog silicijev karbid. Ova keramika ima iznimno nizak koeficijent širenja, što znači da se vrlo malo širi kada se zagrije. A budući da se koristi u svim instrumentima, ako se i širi, čini to na ravnomjeran način. Čak su i okviri za senzore izrađeni od silicij-karbida, kao i glavno zrcalo za teleskop. Ogledalo je visoko polirano do tolerancije od nekoliko nanometara, proces koji je trajao gotovo godinu dana.

Sva ova briga znači da je satelit iznimno stabilan i da će moći snimati oštre, točne slike.

Nudeći nešto čovječanstvu

Dok je proučavanje tamne tvari i tamne energije uglavnom važno za teoretsku fiziku, lov može imati i praktične implikacije. Prvo, hardver koji je dizajniran za projekte kao što je Euclid i mjerne tehnike koje su razvijene mogu se koristiti u čitavom nizu različitih područja. Drugo, tu je bogato bogatstvo podataka koje će Euclid prikupiti.

"S našim podacima ne samo da mjerimo tamnu energiju i tamnu tvar, već fotografiramo sve što vidimo na nebu na tim valnim duljinama", rekao je Laureijs. “Dakle, tu ima mnogo više astronomije. I to je također uzbudljiv dio, jer nudimo nešto čovječanstvu, astronomima, što je tako novo. Osam godina od sada, možete otići na ESA-ino web mjesto i otići na bilo koju poziciju na nebu i vidjeti kako to izgleda, uz enormnu rezoluciju, do dubine od prije 10 milijuna godina.”

Međutim, prvenstveno je potraga za tamnom tvari i tamnom energijom usmjerena na razumijevanje kako naš svemir funkcionira na najosnovnijim razini i odgovor na pitanje koje je trenutno krajnje zbunjujuće: “Ono što vidimo oko sebe samo je 5% onoga što postoji u našem svemiru. Ostalih 95% je tamna tvar i tamna energija, nešto što teško možemo objasniti,” rekao je Laureijs. "Za mene je to temeljni razlog zašto radimo Euclid."

Upravo to čudno, neobjašnjivo pitanje o tome od čega se svemir sastoji pokreće znanstvenike, inženjere i astronome koji rade na tamnoj tvari. Jer ono što vidimo oko sebe samo je grebanje po površini onoga što postoji u nepoznatom.