Tumšās matērijas, Visuma noslēpumainākās vielas, izpēte

Iespējams, ka šobrīd lielākais jautājums astronomijā ir vienkāršs: no kā sastāv Visums? Mēs zinām par protoniem, neitroniem un elektroniem, un mēs zinām, ka šīs daļiņas apvienojas, veidojot mūsu novēroto Visumu: zvaigznes, planētas, komētas un melnos caurumus.

Bet tas viss ir tikai niecīga daļiņa no tā, kas pastāv. Parastā matērija, ko astronomi sauc par barionisko matēriju, ir mazākumā, ja skatāties uz mūsu Visumu kopumā. Visumā patiesībā dominē tumšā matērija un tumšā enerģija, divas noslēpumainas lietas, kuras mēs nekad neesam tieši atklājuši.

Lai izpētītu šo dīvaināko mīklu, Eiropas Kosmosa aģentūra (ESA) būvē Eiklida telpu teleskops, progresīvs projekts, lai izpētītu gan tumšo vielu, gan tumšo enerģiju, kas tiks uzsākta 2022. gadā.

Lai uzzinātu vairāk par to, kā izveidot rīku, lai meklētu kaut ko neredzamu, mēs runājām ar Renē Laureiju, Eiklida projekta zinātnieku.

Redzot tikai sekas

Gan tumšā matērija, gan tumšā enerģija ir teorētiskas konstrukcijas, jo mums ir pamats uzskatīt, ka tās pastāv, lai gan neviena no tām nekad nav tieši atklāta. Tā vietā mēs zinām, ka viņiem tur ir jābūt, jo mēs redzam to ietekmi uz Visumu.

"Tumšā matērija ir kaut kas tāds, kam redzat tikai sekas," skaidroja Laureijs. "Tātad jūs redzat kaut ko kustīgu vai lietas, kas piesaista viena otru, un jūs nezināt, kas to izraisa. Mēs to redzam arī astronomijā, ka lietas piesaista vai kustas, un, skatoties uz apkārt notiekošo, mēs nevaram izskaidrot šīs kustības ar parastās matērijas klātbūtni.

Šī pievilcība ir patiešām pamanāma tikai ļoti lielos mērogos, skatoties uz galaktiku izmēra objektiem. Sākumā astronomi domāja, ka varbūt kaut kas nav kārtībā ar gravitācijas aprakstu, un tāpēc tas izskatījās savādāk uz astronomiskajiem mērogiem. Bet tagad viņi ir lielā mērā pārliecināti, ka tā ir daļiņa, kas izraisa šīs sekas, lai gan pašas daļiņas noteikšana ir pastāvīgs izaicinājums. "Mēs to nekad neesam redzējuši, bet mēs redzam netiešus pierādījumus tam, kas uzvedas kā matērija, bet nav redzams. Un to mēs saucam par tumšo matēriju,” sacīja Laureijs.

Un tad ir tumšā enerģija. Tā ir līdzīga tumšajai matērijai, jo tā ir konstrukcija, ko izmanto, lai izskaidrotu negaidītus novērojumus par Visumu. Bet tas ir ļoti atšķirīgs, jo astronomi domā, ka tas var būt enerģijas veids, nevis daļiņa. To izmanto, lai izskaidrotu Visuma paplašināšanos. Mēs zinām, ka Visums paplašinās, taču 1990. gadu novērojumi ar jauniem instrumentiem, piemēram, Habla kosmosa teleskopu, šokēja astronomus, parādot, ka izplešanās ātrums palielinās.

"Tas ir ļoti smalks efekts, taču, precīzi mērot attālumus līdz tālām galaktikām, cilvēki pirms 20 gadiem atklāja, ka Visums ne tikai paplašinās, bet arī paplašinās paātrinātā veidā. Laureijs paskaidroja. "Tas nozīmē, ka galaktikas izspiež papildu enerģija, un izrādās, ka šis paātrinājums sākās pusceļā Visuma laikmetā, apmēram pirms 6 miljardiem gadu. Tā patiešām ir mīkla, kāpēc tā notika. Tātad ir papildu spēks, kas iedarbojas pret gravitāciju, izspiežot visas galaktikas uz āru paātrinātā veidā, un to mēs saucam par tumšo enerģiju.

Tas, kas patiešām ir ievērojams attiecībā uz tumšo vielu un tumšo enerģiju, ir tas, cik tie ir izplatīti. Apsverot Visuma kopējo enerģijas komponentu, pašreizējās aplēses parāda, ka aptuveni 68% no Visuma ir tumšā enerģija, bet 27% ir tumšā viela. Visa parastā viela, ko mēs redzam sev apkārt – katra zvaigzne, katra planēta, katra gāzes molekula – veido tikai 5% no visa esošā.

Tātad ir 95% Visuma, ko mēs tik tikko saprotam. "Šī ir lielākā mīkla, kas mums šobrīd ir fizikā un astronomijā," sacīja Laureijs. "Kā astronomam ir patiešām lieliski būt šajā brīdī, lai strādātu pie šīs problēmas."

Kā medīt neredzamo

Tradicionālā metode tumšās enerģijas meklēšanai ir bijusi Visuma izplešanās mērīšana, novērojot supernovas. Ja supernova eksplodē tālā galaktikā, mēs varam izsekot tās izdalītajai enerģijai, lai novērtētu, cik tālu tā atrodas, taču ir šīs pieejas ierobežojumi. Tāpēc pēdējo desmitgažu laikā ir izstrādātas divas jaunas metodes Visuma izplešanās mērīšanai, un Eiklīds izmantos abas.

Pirmā metode ir aplūkot galaktiku izplatību Visumā. Astronomi skatās uz attālumu līdz galaktikai un novēro tās sarkano nobīdi (gaisma no šīs galaktikas tiek novirzīts uz spektra sarkano galu), un no tā viņi var noteikt, cik ātri galaktika attālinās no mums.

Otrā metode ir novērot tumšās vielas izplatība. Mēs zinām, ka parastās matērijas izplatība seko tumšās matērijas sadalījumam, un tumšās vielas ir daudz vairāk nekā parastās vielas. Tumšās vielas gravitācijas efektus var redzēt, izmantojot tehniku, ko sauc par gravitācijas lēcu, kurā tumšās vielas masa izliek gaismu ap sevi.

Tāpēc Eiklīds meklē gan tumšo matēriju, gan tumšo enerģiju, jo, mācoties par vienu, mēs varam mācīt arī par otru.

Neticams precizitātes līmenis

Lai savāktu datu veidus, kas nepieciešami tumšās enerģijas un tumšās vielas pētīšanai, rīki ir konceptuāli salīdzinoši vienkārši. Eiklidam ir divi galvenie instrumenti: infrasarkanā kamera/spektrometrs un milzu optiskā kamera.

Infrasarkanajam instrumentam ir dažādi filtri un režģa prizmas, kas ļauj izmērīt tālu galaktiku sarkano nobīdi, kas parāda, cik tālu tās attālinās no mums. Optiskā kamera ir 36 sensoru mozaīka, kas nodrošina kopējo izšķirtspēju, kas pārsniedz 600 megapikseļus, kas rada ārkārtīgi asus attēlus, piemēram, daudz precīzāku digitālās kameras versiju. Un tad ir pats teleskops ar tā 1,2 metru spoguli.

Aparatūras izveides izaicinājums ir nepieciešamais neticami augsts precizitātes līmenis. Izkropļojumi, ko zinātnieki meklē tumšās matērijas un tumšās enerģijas klātbūtnes dēļ, ir tik mazi ka instrumentiem ir jābūt neticami jutīgiem, spējīgiem uztvert pat vissīkākās rādījumu svārstības. Bet tas nozīmē, ka jebkuras izmaiņas paša teleskopa vidē var būtiski izkropļot datus. Pat kaut kas tik mazs kā elektronikas ieslēgšana satelītā būs pamanāms nolasījumos, kas veikti.

"Teleskops ir uzbūvēts tā, ka tas ir ārkārtīgi stabils un sniedz ļoti asus attēlus," sacīja Laureijs. "Un tam ir ļoti liels redzes lauks. Saliekot visu kopā – stabilu, asu un lielu skata lauku – iegūsit neiespējamu dizainu! Tāpēc tas ir ļoti grūti. ”

Viens veids, kā komanda pieiet šai dizaina problēmai, ir novietot teleskopu kosmosā, kur tas atradīsies daudz tālāk. stabilu vidi un var uzņemt četras līdz piecas reizes asākus attēlus nekā asākais attēls, no kura var uzņemt Zeme. Taču joprojām pastāv saules gaismas problēma, jo satelīta pielāgošana attiecībā pret sauli mainīs tā uztverto siltuma daudzumu. Pat ar dažu milivatu enerģijas maiņu pietiek, lai instrumenti to noteiktu.

Lielākā problēma, ar kuru teleskopu dizaineriem ir jācīnās, ir paplašināšanās. Kad materiāli kļūst karsti, tie izplešas, un pat nelielas temperatūras svārstības var izraisīt teleskopa daļu uzbriest un radīt datos kropļojumus.

Tā rezultātā lielākā daļa Eiklida komponentu ir izgatavoti no ievērojama materiāla, ko sauc par silīcija karbīdu. Šai keramikai ir ārkārtīgi zems izplešanās koeficients, kas nozīmē, ka tā izplešas ļoti maz, kad tā kļūst karsta. Un tā kā tas tiek izmantots visos instrumentos, ja tas izplešas, tas notiek vienmērīgi. Pat sensoru rāmji ir izgatavoti no silīcija karbīda, tāpat kā galvenais teleskopa spogulis. Spogulis ir ļoti pulēts līdz dažu nanometru pielaidei, un process ilga gandrīz gadu.

Visa šī aprūpe nozīmē, ka satelīts ir ārkārtīgi stabils un spēs uzņemt asus, precīzus attēlus.

Piedāvāt kaut ko cilvēcei

Lai gan tumšās matērijas un tumšās enerģijas izpētei galvenokārt ir nozīme teorētiskajā fizikā, medībām var būt arī praktiska nozīme. Pirmkārt, aparatūru, kas ir paredzēta tādiem projektiem kā Eiklīds, un izstrādātās mērīšanas metodes var izmantot daudzās dažādās jomās. Otrkārt, Eiklīds apkopos bagātīgu datu daudzumu.

"Ar saviem datiem mēs ne tikai mērām tumšo enerģiju un tumšo matēriju, bet arī fotografējam visu, ko redzam debesīs šajos viļņu garumos," sacīja Laureijs. "Tātad tajā ir daudz vairāk astronomijas. Un tā ir arī aizraujoša daļa, jo mēs cilvēcei, astronomiem piedāvājam kaut ko tik jaunu. Pēc astoņiem gadiem jūs varat doties uz ESA vietni un doties uz jebkuru vietu debesīs un redzēt, kā tas izskatās ar milzīgu izšķirtspēju pirms 10 miljoniem gadu.

Tomēr galvenokārt tumšās matērijas un tumšās enerģijas meklēšana ir saistīta ar izpratni par to, kā mūsu Visums darbojas uz visbūtiskāko. līmenī, un atbildot uz jautājumu, kas šobrīd ir absolūti mulsinošs: “Tas, ko mēs redzam sev apkārt, ir tikai 5% no tā, kas ir mūsu Visumā. Pārējie 95% ir tumšā matērija un tumšā enerģija, ko mēs diez vai varam izskaidrot," sacīja Laureijs. "Man tas ir galvenais iemesls, kāpēc mēs darām Eiklīdu."

Tieši šis dīvainais, neizskaidrojamais jautājums par to, no kā sastāv Visums, virza zinātniekus, inženierus un astronomus, kuri strādā pie tumšās vielas. Jo tas, ko mēs redzam sev apkārt, tikai skrāpē to, kas eksistē nezināmajā.