A sötét anyag, a világegyetem legtitokzatosabb anyagának tanulmányozása

A csillagászatban jelenleg talán a legnagyobb kérdés az, ami egyszerűen hangzik: Miből áll az univerzum? Tudunk a protonokról, neutronokról és elektronokról, és tudjuk, hogy ezek a részecskék együttesen hozzák létre az általunk megfigyelt univerzumot: csillagokat, bolygókat, üstökösöket és fekete lyukakat.

De mindez csak egy töredéke a létezőnek. A közönséges anyag, amit a csillagászok barioni anyagnak neveznek, kisebbségben van, ha világegyetemünk egészét nézzük. Az univerzumot valójában a sötét anyag és a sötét energia uralja, két titokzatos dolog, amit soha nem észleltünk közvetlenül.

Ennek a legfurcsább rejtvénynek a kivizsgálására az Európai Űrügynökség (ESA) építi az Euklidész-űrt teleszkóp, egy csúcstechnológiás projekt a sötét anyag és a sötét energia vizsgálatára 2022-ben.

Ha többet szeretne megtudni arról, hogyan építhet fel egy olyan eszközt, amellyel valami láthatatlant kereshet, René Laureijs-szal, az Euclid projekt tudósával beszélgettünk.

Csak a hatásokat látva

Mind a sötét anyag, mind a sötét energia elméleti konstrukció, mivel jó okunk van azt hinni, hogy léteznek, jóllehet egyiket sem észlelték közvetlenül. Ehelyett tudjuk, hogy ott kell lenniük, mert látjuk hatásukat az univerzumra.

„A sötét anyag csak a hatását látja” – magyarázta Laureijs. „Tehát látod, hogy valami mozog, vagy a dolgok vonzzák egymást, és nem tudod, mi okozza ezt. A csillagászatban is látjuk, hogy a dolgok vonzódnak vagy mozognak, és ha megnézzük, mi történik körülöttük, nem tudjuk megmagyarázni ezeket a mozgásokat a közönséges anyag jelenlétével.

Ez a vonzalom csak nagyon nagy léptékeken, galaxis méretű objektumokra nézve igazán észrevehető. Eleinte a csillagászok azt hitték, hogy valami nem stimmel a gravitáció leírásával, és ezért nézett ki másként a csillagászati ​​léptékeken. Most azonban nagyrészt meg vannak győződve arról, hogy ez egy részecske okozza ezeket a hatásokat, bár magának a részecskenak az észlelése folyamatos kihívást jelent. „Soha nem láttuk, de közvetett bizonyítékot látunk valamire, ami anyagként viselkedik, de nem látható. És ezt nevezzük sötét anyagnak” – mondta Laureijs.

És akkor ott van a sötét energia. Hasonlít a sötét anyaghoz, mivel ez egy olyan konstrukció, amely az univerzummal kapcsolatos váratlan megfigyelések magyarázatára szolgál. De nagyon különbözik attól, hogy a csillagászok úgy gondolják, hogy ez az energia egy formája, nem pedig egy részecske. Az univerzum tágulásának magyarázatára használják. Tudjuk, hogy az univerzum tágul, de az 1990-es években az olyan új eszközökkel, mint a Hubble Űrteleszkóp végzett megfigyelések sokkolták a csillagászokat, mivel azt mutatták, hogy a tágulás üteme egyre gyorsul.

„Ez egy nagyon finom hatás, de a távoli galaxisok távolságának pontos mérésével az emberek 20 évvel ezelőtt fedezte fel, hogy az univerzum nemcsak tágul, hanem felgyorsult. Laureijs magyarázta. „Ez azt jelenti, hogy extra energia nyomja ki a galaxisokat, és kiderül, hogy ez a gyorsulás a világegyetem korának felénél, körülbelül 6 milliárd évvel ezelőtt kezdődött. Ez tényleg egy rejtvény, miért történt ez. Tehát van egy extra erő, amely a gravitáció ellen hat, és minden galaxist gyorsuló módon kifelé nyomja, és ezt nevezzük sötét energiának.”

Ami igazán figyelemre méltó a sötét anyagban és a sötét energiában, az az, hogy mennyire elterjedtek. Ha figyelembe vesszük az univerzum teljes energiakomponensét, jelenlegi becslések azt mutatják, hogy az univerzum körülbelül 68%-a sötét energia, 27%-a pedig sötét anyag. A körülöttünk lévő összes normál anyag – minden csillag, minden bolygó, minden gázmolekula – a létező összesnek mindössze 5%-át teszi ki.

Tehát ott van az univerzum 95%-a, amit alig értünk. „Jelenleg ez a legnagyobb fejtörőnk a fizikában és a csillagászatban” – mondta Laureijs. „Csillagászként nagyon jó ezen a ponton lenni, és ezen a problémán dolgozni.”

Hogyan lehet vadászni a láthatatlanra

A sötét energia keresésének hagyományos módszere az univerzum tágulásának mérése szupernóvák megfigyelésével. Ha egy szupernóva felrobban egy távoli galaxisban, nyomon követhetjük az általa leadott energiát, hogy megbecsülhessük, milyen messze van – de vannak ennek a megközelítésnek a korlátai. Így az elmúlt évtizedekben két új módszer született az univerzum tágulásának mérésére, és Eukleidész mindkettőt használni fogja.

Az első módszer a galaxisok eloszlásának vizsgálata az univerzumban. A csillagászok egy galaxis távolságát nézik, és megfigyelik annak vöröseltolódását (azt a galaxisból származó fény mértékét a spektrum vörös végére tolódik), és ebből ki tudják számítani, milyen gyorsan távolodik el a galaxis minket.

A második módszer az, hogy megfigyeljük a a sötét anyag eloszlása. Tudjuk, hogy a közönséges anyag eloszlása ​​követi a sötét anyag eloszlását, és sokkal több a sötét anyag, mint a közönséges anyag. A sötét anyag gravitációs hatásait a gravitációs lencséknek nevezett technikán keresztül láthatjuk, amelyben a sötét anyag tömege meghajlítja maga körül a fényt.

Ez az oka annak, hogy Eukleidész a sötét anyagot és a sötét energiát is keresi – mert az egyik megismerése a másikra is megtanít.

Hihetetlen fokú precizitás

A sötét energia és a sötét anyag tanulmányozásához szükséges adatok gyűjtéséhez az eszközök fogalmilag viszonylag egyszerűek. Az Euclidnek két elsődleges műszere van: egy infravörös kamera/spektrométer és egy óriási optikai kamera.

Az infravörös műszer különféle szűrőkkel és rácsprizmákkal rendelkezik, amelyek segítségével meg tudja mérni a távoli galaxisok vöröseltolódását, ami megmutatja, hogy milyen messzire távolodnak el tőlünk. Az optikai kamera 36 szenzorból álló mozaik, amelyek összesen több mint 600 megapixeles felbontást adnak, ami rendkívül éles képeket eredményez, mint egy digitális fényképezőgép sokkal precízebb változata. És akkor ott van maga a teleszkóp 1,2 méteres tükrével.

A hardver megépítésének kihívása a hihetetlenül magas szintű precizitás. A sötét anyag és a sötét energia jelenléte miatt a tudósok által keresett torzulások olyan kicsik hogy a műszereknek hihetetlenül érzékenynek kell lenniük, képesnek kell lenniük a legapróbb ingadozások érzékelésére is. Ez azonban azt jelenti, hogy magának a teleszkópnak a környezetében bekövetkezett bármilyen változás jelentős mértékben torzíthatja az adatokat. Még az olyan kicsi dolgok is, mint az elektronika bekapcsolása a műholdon belül, észrevehetőek lesznek a leolvasások során.

"A teleszkóp úgy készült, hogy rendkívül stabil legyen, és nagyon éles képeket adjon" - mondta Laureijs. „És nagyon nagy látómezeje van. Ha mindent összeraksz – stabil, éles és nagy látómező – lehetetlen dizájnt kapsz! Szóval nagyon nehéz."

Az egyik módja annak, hogy a csapat megközelítse ezt a tervezési problémát, az az, hogy a teleszkópot az űrbe helyezik, ahol sokkal távolabb lesz. stabil környezet, és négy-ötször élesebb képeket készíthet, mint a legélesebb kép, amelyről rögzíthető Föld. De továbbra is fennáll a napfénnyel kapcsolatos probléma, mivel a műholdnak a naphoz viszonyított beállítása megváltoztatja, hogy mennyi hőt kap. Már néhány milliwattos energiaváltozás is elegendő ahhoz, hogy a műszerek érzékeljék.

A legnagyobb probléma, amellyel a teleszkóp tervezőknek meg kell küzdeniük, a terjeszkedés. Amikor az anyagok felforrósodnak, kitágulnak, és még a hőmérséklet apró ingadozása is a teleszkóp egyes részei megduzzadását és torzulásokat okozhat az adatokban.

Ennek eredményeként az Euclid alkatrészeinek többsége egy figyelemre méltó anyagból, az úgynevezett szilícium-karbidból készül. Ennek a kerámiának rendkívül alacsony a tágulási együtthatója, ami azt jelenti, hogy nagyon kevéssé tágul, amikor felforrósodik. És mivel az összes hangszerben használják, ha kitágul, akkor egyenletesen teszi. Még az érzékelők keretei is szilícium-karbidból készülnek, akárcsak a teleszkóp fő tükre. A tükröt néhány nanométeres tűréshatárig csiszolták, ez a folyamat csaknem egy évig tartott.

Mindez azt jelenti, hogy a műhold rendkívül stabil, és képes lesz éles, pontos képeket rögzíteni.

Valamit felajánlani az emberiségnek

Míg a sötét anyag és a sötét energia tanulmányozása leginkább az elméleti fizika szempontjából fontos, a vadászatnak gyakorlati vonatkozásai is lehetnek. Először is, az olyan projektekhez tervezett hardver, mint az Euclid, és a kifejlesztett mérési technikák számos területen használhatók. Másodszor, ott van az a rengeteg adat, amelyet Euklidész fog gyűjteni.

"Adatainkkal nem csak a sötét energiát és a sötét anyagot mérjük, hanem mindent lefényképezünk, amit az égen látunk ezeken a hullámhosszokon" - mondta Laureijs. „Tehát sokkal több csillagászat van benne. És ez is egy izgalmas rész, mert olyat kínálunk az emberiségnek, a csillagászoknak, ami annyira új. Nyolc év múlva felkeresheti az ESA webhelyét, és az égbolt bármely pontjára felkeresheti, és óriási felbontással láthatja, hogyan néz ki 10 millió évvel ezelőtti mélységben.”

A sötét anyag és a sötét energia keresése azonban elsősorban arról szól, hogy megértsük, hogyan működik univerzumunk a legalapvetőbb dolgokon. szinten, és válaszolunk egy olyan kérdésre, amely jelenleg teljesen zavarba ejtő: „Amit magunk körül látunk, az csak 5%-a annak, ami az univerzumban van. A másik 95% sötét anyag és sötét energia, amit aligha tudunk megmagyarázni” – mondta Laureijs. „Számomra ez az alapvető oka annak, hogy Eukleidészt csináljuk.”

Ez a furcsa, megmagyarázhatatlan kérdés, hogy miből áll az univerzum, készteti a sötét anyagon dolgozó tudósokat, mérnököket és csillagászokat. Mert amit magunk körül látunk, az csak a felszínét karcolja meg annak, ami az ismeretlenben létezik.