Galbūt didžiausias astronomijos klausimas šiuo metu skamba paprastai: iš ko sudaryta visata? Mes žinome apie protonus, neutronus ir elektronus ir žinome, kad šios dalelės susijungia, kad sukurtų mūsų stebimą visatą: žvaigždes, planetas, kometas ir juodąsias skyles.
Turinys
- Matyti tik poveikį
- Kaip sumedžioti nematomą
- Neįtikėtinas tikslumo lygis
- Siūlyti kažką žmonijai
Tačiau visa tai yra tik maža dalelė to, kas egzistuoja. Įprasta materija, kurią astronomai vadina barionine medžiaga, yra mažuma, kai žiūrite į mūsų visatą kaip visumą. Visatoje iš tikrųjų dominuoja tamsioji medžiaga ir tamsioji energija – du paslaptingi dalykai, kurių mes niekada tiesiogiai neaptikome.
Rekomenduojami vaizdo įrašai
Siekdama išsiaiškinti šį keisčiausią galvosūkį, Europos kosmoso agentūra (ESA) kuria Euklido erdvę teleskopas – pažangiausias projektas, skirtas tirti tamsiąją materiją ir tamsiąją energiją, kuris bus pradėtas 2022 metais.
Norėdami sužinoti daugiau apie tai, kaip sukurti įrankį ieškoti kažko nematomo, kalbėjomės su René Laureijs, Euklido projekto mokslininku.
Matyti tik poveikį
Ir tamsioji medžiaga, ir tamsioji energija yra teorinės konstrukcijos, nes turime rimtą pagrindą manyti, kad jos egzistuoja, nors nė viena nebuvo aptikta tiesiogiai. Vietoj to, mes žinome, kad jie ten turi būti, nes matome jų poveikį visatai.
„Tamsioji medžiaga yra tai, ko matote tik pasekmes“, – paaiškino Laureijs. „Taigi matai, kad kažkas juda arba traukia vienas kitą, ir nežinai, kas tai sukelia. Taip pat astronomijoje matome, kad daiktai traukia arba juda, o žiūrėdami į tai, kas vyksta aplinkui, negalime paaiškinti šių judėjimų paprastos materijos buvimu.
Ši trauka tikrai pastebima tik labai dideliais masteliais, žiūrint į galaktikų dydžio objektus. Iš pradžių astronomai manė, kad galbūt kažkas negerai apibūdinant gravitaciją, todėl jis atrodė kitaip astronominėmis mastelėmis. Tačiau dabar jie iš esmės įsitikinę, kad tai dalelė, sukelianti šiuos padarinius, nors pačios dalelės aptikimas yra nuolatinis iššūkis. „Mes niekada to nematėme, bet matome netiesioginius įrodymus tam, kas elgiasi kaip materija, bet nėra matoma. Ir tai mes vadiname tamsiąja medžiaga “, - sakė Laureijs.
Ir tada yra tamsioji energija. Ji panaši į tamsiąją materiją tuo, kad yra konstrukcija, naudojama netikėtiems Visatos stebėjimams paaiškinti. Tačiau tai labai skiriasi tuo, kad astronomai mano, kad tai gali būti energijos forma, o ne dalelė. Jis naudojamas paaiškinti visatos plėtimąsi. Žinome, kad visata plečiasi, tačiau 1990-ųjų stebėjimai iš naujų įrankių, tokių kaip Hablo kosminis teleskopas, sukrėtė astronomus, parodydami, kad plėtimosi greitis spartėja.
„Tai yra didžiausias galvosūkis, kurį šiuo metu turime fizikoje ir astronomijoje.
„Tai labai subtilus efektas, tačiau tiksliai išmatavę atstumus iki tolimų galaktikų, žmonės prieš 20 metų atrado, kad visata ne tik plečiasi, bet ir plečiasi pagreitintu būdu. Laureijus paaiškino. „Tai reiškia, kad galaktikas išstumia papildoma energija, ir pasirodo, kad šis pagreitis prasidėjo įpusėjus Visatos amžiui, maždaug prieš 6 milijardus metų. Tai tikrai galvosūkis, kodėl taip atsitiko. Taigi yra papildoma jėga, veikianti prieš gravitaciją, stumdama visas galaktikas į išorę, ir tai vadiname tamsiąja energija.
Tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos išties nuostabu yra tai, kaip jos yra paplitusios. Kalbant apie bendrą visatos energijos komponentą, dabartinės sąmatos rodo, kad apie 68 % visatos sudaro tamsioji energija, o 27 % – tamsioji medžiaga. Visa normali medžiaga, kurią matome aplink save – kiekviena žvaigždė, kiekviena planeta, kiekviena dujų molekulė – sudaro tik 5% viso, kas egzistuoja.
Taigi yra 95% visatos, kurią mes beveik nesuprantame. „Tai yra didžiausias galvosūkis, kurį šiuo metu turime fizikoje ir astronomijoje“, - sakė Laureijs. „Kaip astronomui tikrai puiku būti šiuo metu ir dirbti su šia problema.
Kaip sumedžioti nematomą
Tradicinis tamsiosios energijos paieškos metodas buvo visatos plėtimosi matavimas stebint supernovas. Jei supernova sprogsta tolimoje galaktikoje, galime sekti jos skleidžiamą energiją ir įvertinti, kiek toli ji yra, bet yra šio požiūrio apribojimai. Taigi per pastaruosius dešimtmečius buvo sukurti du nauji Visatos plėtimosi matavimo metodai, ir Euklidas naudos abu.
Pirmasis metodas yra pažvelgti į galaktikų pasiskirstymą visatoje. Astronomai žiūri į atstumą iki galaktikos ir stebi jos raudonąjį poslinkį (tampa, kiek šviesos iš tos galaktikos pasislenka į raudonąjį spektro galą), ir iš to jie gali nustatyti, kaip greitai galaktika tolsta nuo mus.
Antrasis būdas yra stebėti tamsiosios medžiagos pasiskirstymas. Žinome, kad įprastos materijos pasiskirstymas seka tamsiosios materijos pasiskirstymą, o tamsiosios medžiagos yra daug daugiau nei įprastos. Tamsiosios medžiagos gravitacinį poveikį galima pamatyti naudojant techniką, vadinamą gravitaciniu lęšiu, kai tamsiosios materijos masė sulenkia aplink save šviesą.
Štai kodėl Euklidas ieško ir tamsiosios materijos, ir tamsiosios energijos – nes mokantis apie vieną galima išmokti ir apie kitą.
Neįtikėtinas tikslumo lygis
Norint rinkti duomenis, reikalingus tamsiajai energijai ir tamsiajai medžiagai tirti, įrankiai iš esmės yra gana paprasti. Euklidas turi du pagrindinius prietaisus: infraraudonųjų spindulių kamerą / spektrometrą ir milžinišką optinę kamerą.
Infraraudonųjų spindulių instrumentas turi įvairius filtrus ir grotelių prizmes, kurios leidžia išmatuoti tolimų galaktikų raudonąjį poslinkį, kuris parodo, kiek toli jos tolsta nuo mūsų. Optinė kamera yra mozaika iš 36 jutiklių, kurių bendra skiriamoji geba viršija 600 megapikselių, todėl gaunami itin ryškūs vaizdai, kaip daug tikslesnė skaitmeninio fotoaparato versija. Ir tada yra pats teleskopas su 1,2 metro veidrodžiu.
Aparatinės įrangos kūrimo iššūkis yra neįtikėtinai aukštas tikslumo lygis. Iškraipymai, kurių mokslininkai ieško dėl tamsiosios medžiagos ir tamsiosios energijos buvimo, yra tokie maži kad instrumentai turi būti neįtikėtinai jautrūs, gebantys užfiksuoti net menkiausius rodmenų svyravimus. Tačiau tai reiškia, kad bet koks paties teleskopo aplinkos pasikeitimas gali iš esmės iškraipyti duomenis. Netgi toks mažas dalykas, kaip elektronikos įjungimas palydove, bus pastebimas jo nuskaitytuose rodmenyse.
„Teleskopas buvo pastatytas taip, kad būtų itin stabilus ir duoda labai ryškius vaizdus“, – sakė Laureijs. „Ir jis turi labai didelį matymo lauką. Jei viską sudėliosite – stabilų, aštrų ir didelį matymo lauką – gausite neįmanomą dizainą! Taigi tai labai sunku“.
Vienas iš būdų, kaip komanda sprendžia šią projektavimo problemą, yra įdėti teleskopą į kosmosą, kur jis bus kur kas toliau. stabili aplinka ir gali užfiksuoti keturis ar penkis kartus ryškesnius vaizdus nei ryškiausias vaizdas, iš kurio galima užfiksuoti Žemė. Tačiau vis dar yra saulės šviesos problema, nes pakoregavus palydovą saulės atžvilgiu, pasikeis jo gaunamos šilumos kiekis. Kad prietaisai jį aptiktų, pakanka net kelių milivatų energijos pokyčio.
Didžiausia problema, su kuria turi kovoti teleskopų dizaineriai, yra plėtra. Kai medžiagos įkaista, jos plečiasi ir net dėl nedidelių temperatūros svyravimų teleskopo dalys gali išsipūsti ir iškraipyti duomenis.
Dėl to dauguma Euklido komponentų yra pagaminti iš nuostabios medžiagos, vadinamos silicio karbidu. Ši keramika turi itin mažą plėtimosi koeficientą, o tai reiškia, kad įkaitusi ji plečiasi labai mažai. Ir kadangi jis naudojamas visuose instrumentuose, jei jis plečiasi, tai daro tolygiai. Netgi jutiklių rėmeliai pagaminti iš silicio karbido, kaip ir pagrindinis teleskopo veidrodis. Veidrodis buvo labai nupoliruotas iki kelių nanometrų tolerancijos – procesas užtruko beveik metus.
Visa ši priežiūra reiškia, kad palydovas yra itin stabilus ir galės užfiksuoti ryškius, tikslius vaizdus.
Siūlyti kažką žmonijai
Nors tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos tyrimas daugiausia svarbus teorinei fizikai, medžioklė gali turėti ir praktinių pasekmių. Pirma, aparatinė įranga, sukurta tokiems projektams kaip Euklidas, ir kuriami matavimo metodai gali būti naudojami įvairiose srityse. Antra, Euklidas surinks daugybę duomenų.
„Su savo duomenimis mes ne tik matuojame tamsiąją energiją ir tamsiąją medžiagą, bet ir fotografuojame viską, ką matome danguje tuose bangos ilgiuose“, – sakė Laureijs. „Taigi jame yra daug daugiau astronomijos. Ir tai taip pat yra įdomi dalis, nes mes žmonijai, astronomams siūlome kažką naujo. Po aštuonerių metų galite apsilankyti ESA svetainėje ir eiti į bet kurią vietą danguje ir pamatyti, kaip ji atrodo su milžiniška raiška prieš 10 milijonų metų.
Vis dėlto pirmiausia tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos paieška yra susijusi su supratimu, kaip mūsų visata veikia pačiais pagrindiniais dalykais. lygiu, ir atsakyti į klausimą, kuris šiuo metu yra visiškai gluminantis: „Tai, ką matome aplinkui, sudaro tik 5% to, kas yra mūsų visatoje. Kiti 95% yra tamsioji medžiaga ir tamsioji energija, ką vargu ar galime paaiškinti“, – sakė Laureijs. „Man tai yra pagrindinė priežastis, kodėl mes darome Euklidą.
Būtent šis keistas, nepaaiškinamas klausimas, iš ko susideda visata, skatina mokslininkus, inžinierius ir astronomus, dirbančius su tamsiąja medžiaga. Nes tai, ką matome aplinkui, tik subraižo paviršių to, kas egzistuoja nežinioje.
