ბნელი მატერიის შესწავლა, ყველაზე იდუმალი ნივთიერება სამყაროში

ალბათ ყველაზე დიდი კითხვა ასტრონომიაში ახლა არის ის, რაც მარტივი ჟღერს: რისგან შედგება სამყარო? ჩვენ ვიცით პროტონების, ნეიტრონებისა და ელექტრონების შესახებ და ვიცით, რომ ეს ნაწილაკები გაერთიანებულია და ქმნის სამყაროს, რომელსაც ჩვენ ვაკვირდებით: ვარსკვლავები, პლანეტები, კომეტები და შავი ხვრელები.

მაგრამ ეს ყველაფერი მხოლოდ მცირე ნაწილია იმისა, რაც არსებობს. ჩვეულებრივი მატერია, რასაც ასტრონომები ბარიონულ მატერიას უწოდებენ, უმცირესობაშია, როდესაც ჩვენს სამყაროს მთლიანობაში უყურებთ. სამყაროში, ფაქტობრივად, დომინირებს ბნელი მატერია და ბნელი ენერგია, ორი იდუმალი რამ, რაც უშუალოდ არასდროს აღმოგვიჩენია.

ამ ყველაზე უცნაური თავსატეხების გამოსაკვლევად, ევროპის კოსმოსური სააგენტო (ESA) აშენებს ევკლიდეს სივრცეს. ტელესკოპი, უახლესი პროექტი ბნელი მატერიისა და ბნელი ენერგიის გამოსაკვლევად, რომელიც ამოქმედდება 2022 წელს.

იმისათვის, რომ გაიგოთ მეტი იმის შესახებ, თუ როგორ ქმნით ხელსაწყოს რაიმე უხილავი საძიებლად, ჩვენ ვესაუბრეთ რენე ლაურეჯს, ევკლიდის პროექტის მეცნიერს.

ხედავს მხოლოდ ეფექტებს

ორივე ბნელი მატერია და ბნელი ენერგია თეორიული კონსტრუქციებია, რადგან ჩვენ გვაქვს საფუძვლიანი საფუძველი ვირწმუნოთ, რომ ისინი არსებობენ, მიუხედავად იმისა, რომ არცერთი არასოდეს ყოფილა უშუალოდ აღმოჩენილი. ამის ნაცვლად, ჩვენ ვიცით, რომ ისინი იქ უნდა იყვნენ, რადგან ვხედავთ მათ გავლენას სამყაროზე.

”ბნელი მატერია არის ის, რასაც მხოლოდ ეფექტები ხედავთ”, - განმარტა ლორეისმა. ”ასე რომ, თქვენ ხედავთ, რომ რაღაც მოძრაობს, ან საგნები იზიდავს ერთმანეთს და არ იცით, რა იწვევს ამას. ჩვენ ვხედავთ ასევე ასტრონომიაში, რომ საგნები იზიდავენ, ან საგნები მოძრაობენ, და თუ ვუყურებთ რა ხდება ირგვლივ, ჩვენ ვერ ავხსნით ამ მოძრაობებს ჩვეულებრივი მატერიის არსებობით.

ეს მიზიდულობა შესამჩნევია მხოლოდ ძალიან დიდ მასშტაბებზე, გალაქტიკების ზომის ობიექტებზე დაკვირვებით. თავდაპირველად, ასტრონომებს ეგონათ, რომ შესაძლოა რაღაც არასწორი იყო მათ მიერ გრავიტაციის აღწერაში და სწორედ ამიტომ გამოიყურებოდა იგი სხვაგვარად ასტრონომიულ მასშტაბებზე. მაგრამ ისინი ახლა დიდწილად დარწმუნებულნი არიან, რომ ეს არის ნაწილაკი, რომელიც იწვევს ამ ეფექტებს, თუმცა თავად ნაწილაკების აღმოჩენა მუდმივი გამოწვევაა. ”ჩვენ არასდროს გვინახავს, ​​მაგრამ ვხედავთ არაპირდაპირ მტკიცებულებებს რაღაცის, რაც მატერიის მსგავსად იქცევა, მაგრამ არ ჩანს. და ეს არის ის, რასაც ჩვენ ბნელ მატერიას ვუწოდებთ, ”- თქვა ლორეისმა.

და შემდეგ არის ბნელი ენერგია. ის ბნელი მატერიის მსგავსია იმით, რომ ეს არის კონსტრუქცია, რომელიც გამოიყენება სამყაროს შესახებ მოულოდნელი დაკვირვებების ასახსნელად. მაგრამ ეს ძალიან განსხვავდება იმით, რომ ასტრონომები ფიქრობენ, რომ ეს შეიძლება იყოს ენერგიის ფორმა და არა ნაწილაკი. იგი გამოიყენება სამყაროს გაფართოების ასახსნელად. ჩვენ ვიცით, რომ სამყარო ფართოვდება, მაგრამ 1990-იან წლებში დაკვირვებებმა ახალი ხელსაწყოებით, როგორიცაა ჰაბლის კოსმოსური ტელესკოპი, შოკში ჩააგდო ასტრონომები და აჩვენა, რომ გაფართოების სიჩქარე აჩქარდა.

”ეს ძალიან დახვეწილი ეფექტია, მაგრამ შორეულ გალაქტიკებამდე მანძილის ზუსტი გაზომვით, ადამიანებს აქვთ 20 წლის წინ აღმოაჩინა, რომ სამყარო არა მხოლოდ ფართოვდება, არამედ ფართოვდება დაჩქარებული გზით. ლორეისი განმარტა. ”ეს ნიშნავს, რომ არსებობს დამატებითი ენერგია, რომელიც უბიძგებს გალაქტიკებს და ირკვევა, რომ ეს აჩქარება სამყაროს ასაკის ნახევარში, დაახლოებით 6 მილიარდი წლის წინ დაიწყო. ეს მართლაც თავსატეხია, რატომ მოხდა ეს. ასე რომ, არის დამატებითი ძალა, რომელიც მოქმედებს გრავიტაციის წინააღმდეგ, უბიძგებს ყველა გალაქტიკას გარედან აჩქარებული გზით და ეს არის ის, რასაც ჩვენ ბნელ ენერგიას ვუწოდებთ.

ბნელი მატერიისა და ბნელი ენერგიის შესახებ მართლაც გასაოცარია, რამდენად გავრცელებულია ისინი. როდესაც განვიხილავთ სამყაროს მთლიანი ენერგიის კომპონენტს, მიმდინარე შეფასებები აჩვენებს, რომ სამყაროს დაახლოებით 68% ბნელი ენერგიაა, ხოლო 27% ბნელი მატერიაა. ყველა ნორმალური მატერია, რომელსაც ჩვენ ირგვლივ ვხედავთ - ყველა ვარსკვლავი, ყველა პლანეტა, გაზის ყოველი მოლეკულა - შეადგენს არსებულის მხოლოდ 5%-ს.

ასე რომ, არსებობს სამყაროს 95%, რომელიც ჩვენ თითქმის არ გვესმის. ”ეს არის ყველაზე დიდი თავსატეხი, რომელიც ამჟამად გვაქვს ფიზიკასა და ასტრონომიაში”, - თქვა ლორეისმა. ”როგორც ასტრონომი, ნამდვილად მშვენიერია დროის ამ ეტაპზე ყოფნა, ამ პრობლემაზე მუშაობა.”

როგორ ვინადიროთ უხილავზე

ბნელი ენერგიის ძიების ტრადიციული მეთოდი იყო სამყაროს გაფართოების გაზომვა სუპერნოვაზე დაკვირვებით. თუ სუპერნოვა შორეულ გალაქტიკაში აფეთქდება, ჩვენ შეგვიძლია თვალყური ადევნოთ მის გამოყოფილ ენერგიას, რათა შევაფასოთ რამდენად შორს არის ის - მაგრამ არსებობს ამ მიდგომის შეზღუდვები. ასე რომ, ბოლო ათწლეულების განმავლობაში, სამყაროს გაფართოების გაზომვის ორი ახალი მეთოდი იქნა ჩაფიქრებული და ევკლიდე ორივეს გამოიყენებს.

პირველი მეთოდი არის გალაქტიკების განაწილების დათვალიერება მთელ სამყაროში. ასტრონომები უყურებენ მანძილს გალაქტიკამდე და აკვირდებიან მის წითელ ცვლას (ამ გალაქტიკის სინათლე არის გადატანილი სპექტრის წითელ ბოლოში) და აქედან მათ შეუძლიათ გაარკვიონ, რამდენად სწრაფად შორდება გალაქტიკა ჩვენ.

მეორე მეთოდი არის დაკვირვება ბნელი მატერიის განაწილება. ჩვენ ვიცით, რომ ჩვეულებრივი მატერიის განაწილება მოჰყვება ბნელი მატერიის განაწილებას და იქ გაცილებით მეტი ბნელი მატერიაა, ვიდრე ჩვეულებრივი მატერია. ბნელი მატერიის გრავიტაციული ეფექტების დანახვა შესაძლებელია ტექნიკით, რომელსაც ეწოდება გრავიტაციული ლინზირება, რომლის დროსაც ბნელი მატერიის მასა ახვევს სინათლეს მის გარშემო.

სწორედ ამიტომ ევკლიდე ეძებს როგორც ბნელ მატერიას, ასევე ბნელ ენერგიას - რადგან ერთის შესწავლა ასევე გვასწავლის მეორის შესახებ.

სიზუსტის წარმოუდგენელი დონე

ბნელი ენერგიისა და ბნელი მატერიის შესასწავლად საჭირო სახის მონაცემების შესაგროვებლად, ინსტრუმენტები კონცეპტუალურად შედარებით მარტივია. ევკლიდეს აქვს ორი ძირითადი ინსტრუმენტი: ინფრაწითელი კამერა/სპექტრომეტრი და გიგანტური ოპტიკური კამერა.

ინფრაწითელ ინსტრუმენტს აქვს სხვადასხვა ფილტრები და პრიზმები, რომლებიც საშუალებას აძლევს მას გაზომოს შორეული გალაქტიკების წითელ გადაადგილება, რაც აჩვენებს, თუ რამდენად შორდებიან ისინი ჩვენგან. ოპტიკური კამერა არის 36 სენსორისგან შემდგარი მოზაიკა, რომელიც იძლევა 600 მეგაპიქსელზე მეტ გარჩევადობას, რაც იწვევს უკიდურესად მკვეთრ სურათებს, როგორც ციფრული კამერის ბევრად უფრო ზუსტი ვერსია. და შემდეგ არის თავად ტელესკოპი თავისი 1,2 მეტრიანი სარკეთი.

ტექნიკის შექმნის გამოწვევა არის საჭირო სიზუსტის წარმოუდგენლად მაღალი დონე. დამახინჯებები, რომლებსაც მეცნიერები ეძებენ ბნელი მატერიისა და ბნელი ენერგიის არსებობის გამო, ძალიან მცირეა რომ ინსტრუმენტები უნდა იყოს წარმოუდგენლად მგრძნობიარე, შეეძლოს კითხვის უმცირეს რყევებსაც კი. მაგრამ ეს ნიშნავს, რომ თავად ტელესკოპის გარემოს ნებისმიერ ცვლილებას შეუძლია მონაცემების მნიშვნელოვანი დამახინჯება. ისეთი პატარა რამაც კი, როგორიცაა ელექტრონიკის ჩართვა სატელიტის შიგნით, შესამჩნევი იქნება მისი წაკითხვისას.

”ტელესკოპი ისეა აგებული, რომ ის უკიდურესად სტაბილურია და იძლევა ძალიან მკვეთრ სურათებს,” - თქვა ლორეისმა. ”და მას აქვს ძალიან დიდი ხედვის არე. თუ ყველაფერს ერთად აერთიანებთ - სტაბილური, მკვეთრი და დიდი ხედვის ველი - მიიღებთ შეუძლებელ დიზაინს! ასე რომ, ეს ძალიან რთულია. ”

ერთ-ერთი გზა, რომლითაც გუნდი უახლოვდება ამ დიზაინის პრობლემას, არის ტელესკოპის კოსმოსში განთავსება, სადაც ის გაცილებით მეტ ადგილას იქნება. სტაბილური გარემო და შეუძლია ოთხიდან ხუთჯერ უფრო მკვეთრი გამოსახულების გადაღება, ვიდრე ყველაზე მკვეთრი გამოსახულება, საიდანაც შეიძლება გადაღებული Დედამიწა. მაგრამ ჯერ კიდევ არსებობს მზის შუქის პრობლემა, რადგან სატელიტის მზესთან რეგულირება შეცვლის მის მიერ მიღებულ სითბოს. ინსტრუმენტების მიერ გამოსავლენად საკმარისია ენერგიის რამდენიმე მილივატის ცვლილებაც კი.

ყველაზე დიდი პრობლემა, რომელსაც ტელესკოპის დიზაინერები უნდა შეეგუონ, არის გაფართოება. როდესაც მასალები ცხელდება, ისინი ფართოვდებიან და ტემპერატურის უმნიშვნელო რყევამაც კი შეიძლება გამოიწვიოს ტელესკოპის ნაწილების შეშუპება და მონაცემების დამახინჯება.

შედეგად, ევკლიდის კომპონენტების უმეტესობა აგებულია შესანიშნავი მასალისგან, რომელსაც ეწოდება სილიციუმის კარბიდი. ამ კერამიკას აქვს ძალიან დაბალი გაფართოების კოეფიციენტი, რაც იმას ნიშნავს, რომ ის ძალიან ცოტა აფართოებს, როცა ცხელდება. და რადგან ის გამოიყენება მთელ ინსტრუმენტში, თუ ის გაფართოვდება, ის ამას თანაბრად აკეთებს. სენსორების ჩარჩოებიც კი დამზადებულია სილიციუმის კარბიდისგან, ისევე როგორც ტელესკოპის მთავარი სარკე. სარკე ძალიან გაპრიალებულია რამდენიმე ნანომეტრის ტოლერანტობამდე, ამ პროცესს თითქმის ერთი წელი დასჭირდა.

ყველა ეს ზრუნვა ნიშნავს, რომ თანამგზავრი უკიდურესად სტაბილურია და შეძლებს მკვეთრი, ზუსტი სურათების გადაღებას.

რაღაცის შეთავაზება კაცობრიობისთვის

მიუხედავად იმისა, რომ ბნელი მატერიისა და ბნელი ენერგიის შესწავლა უმეტესად მნიშვნელოვანია თეორიული ფიზიკისთვის, ნადირობას შეიძლება ჰქონდეს პრაქტიკული შედეგებიც. პირველ რიგში, აპარატურა, რომელიც შექმნილია ისეთი პროექტებისთვის, როგორიცაა Euclid და გაზომვის ტექნიკა, რომელიც შემუშავებულია, შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა სფეროებში. მეორეც, არის მონაცემთა მდიდარი სიმდიდრე, რომელსაც ევკლიდე შეაგროვებს.

„ჩვენი მონაცემებით, ჩვენ არა მხოლოდ ვზომავთ ბნელ ენერგიას და ბნელ მატერიას, არამედ ვიღებთ სურათებს ყველაფერს, რასაც ვხედავთ ცაში ამ ტალღის სიგრძეზე“, - თქვა ლორეისმა. ”ასე რომ, მასში გაცილებით მეტი ასტრონომიაა. და ეს ასევე საინტერესო ნაწილია, რადგან ჩვენ ვთავაზობთ რაღაცას კაცობრიობას, ასტრონომებს, რაც ძალიან ახალია. რვა წლის შემდეგ, თქვენ შეგიძლიათ ეწვიოთ ESA-ს ვებსაიტს და გადახვიდეთ ცაში ნებისმიერ პოზიციაზე და ნახოთ, როგორ გამოიყურება ის უზარმაზარი გარჩევადობით, 10 მილიონი წლის წინ.

თუმცა, პირველ რიგში, ბნელი მატერიისა და ბნელი ენერგიის ძიება არის იმის გაგება, თუ როგორ მუშაობს ჩვენი სამყარო ყველაზე ფუნდამენტურზე. დონეს და უპასუხეთ კითხვას, რომელიც ახლა სრულიად დამაბნეველია: „ის, რასაც ჩვენ ვხედავთ ჩვენს ირგვლივ, არის მხოლოდ 5% იმისა, რაც ჩვენს სამყაროშია. დანარჩენი 95% არის ბნელი მატერია და ბნელი ენერგია, რასაც ჩვენ ძნელად ავხსნით“, - თქვა ლორეისმა. ”ჩემთვის ეს არის ფუნდამენტური მიზეზი იმისა, რომ ჩვენ ვაკეთებთ ევკლიდს.”

სწორედ ეს უცნაური, აუხსნელი კითხვა, რისგან შედგება სამყარო, ამოძრავებს მეცნიერებს, ინჟინრებს და ასტრონომებს, რომლებიც მუშაობენ ბნელ მატერიაზე. იმიტომ, რომ ის, რასაც ჩვენ ირგვლივ ვხედავთ, მხოლოდ უცნობში არსებულის ზედაპირის გაკაფვაა.