Het bestuderen van donkere materie, de meest mysterieuze stof in het universum

Misschien is de grootste vraag in de astronomie op dit moment een vraag die simpel klinkt: waar is het universum van gemaakt? We weten over protonen, neutronen en elektronen, en we weten dat deze deeltjes samen het universum creëren dat we waarnemen: sterren, planeten, kometen en zwarte gaten.

Maar dit alles is slechts een klein deel van wat er bestaat. Gewone materie, wat astronomen baryonische materie noemen, is in de minderheid als je naar ons universum als geheel kijkt. Het universum wordt in feite gedomineerd door donkere materie en donkere energie, twee mysterieuze dingen die we nog nooit rechtstreeks hebben gedetecteerd.

Om deze vreemdste puzzels te onderzoeken, bouwt de European Space Agency (ESA) de Euclides-ruimte telescoop, een baanbrekend project om zowel donkere materie als donkere energie te onderzoeken dat zal worden gelanceerd in 2022.

Om meer te weten te komen over hoe je een tool bouwt om naar iets onzichtbaars te zoeken, spraken we met René Laureijs, projectwetenschapper bij Euclid.

Alleen de effecten zien

Zowel donkere materie als donkere energie zijn theoretische constructies, in die zin dat we goede redenen hebben om aan te nemen dat ze bestaan, ook al zijn geen van beide ooit rechtstreeks gedetecteerd. In plaats daarvan weten we dat ze er moeten zijn, omdat we hun effecten op het universum zien.

“Donkere materie is iets waar je alleen de effecten van ziet”, legt Laureijs uit. “Dus je ziet iets bewegen, of dingen die elkaar aantrekken, en je weet niet wat de oorzaak is. We zien het ook in de astronomie dat dingen worden aangetrokken, of dat dingen bewegen, en door te kijken naar wat er rondgaat, kunnen we deze bewegingen niet verklaren door de aanwezigheid van gewone materie.”

Deze aantrekkingskracht is pas echt merkbaar op zeer grote schaal, als je kijkt naar objecten ter grootte van sterrenstelsels. Aanvankelijk dachten astronomen dat er misschien iets mis was met hun beschrijving van de zwaartekracht, en daarom zag het er op astronomische schaal anders uit. Maar ze zijn er nu grotendeels van overtuigd dat het een deeltje is dat deze effecten veroorzaakt, hoewel het detecteren van het deeltje zelf een voortdurende uitdaging is. “We hebben het nog nooit gezien, maar we zien indirect bewijs voor iets dat zich als materie gedraagt ​​maar niet kan worden gezien. En dat noemen we donkere materie”, zegt Laureijs.

En dan is er donkere energie. Het lijkt op donkere materie omdat het een constructie is die wordt gebruikt om onverwachte waarnemingen over het universum te verklaren. Maar het is heel anders omdat astronomen denken dat het een vorm van energie kan zijn, in plaats van een deeltje. Het wordt gebruikt om de uitdijing van het heelal te verklaren. We weten dat het heelal uitdijt, maar waarnemingen uit de jaren negentig met nieuwe instrumenten zoals de Hubble-ruimtetelescoop schokten astronomen door aan te tonen dat de uitdijing steeds sneller ging.

“Het is een heel subtiel effect, maar door nauwkeurig de afstanden tot verre sterrenstelsels te meten, hebben mensen dat wel gedaan ontdekte twintig jaar geleden dat het heelal niet alleen uitdijt, maar ook versneld uitdijt.” Laureys uitgelegd. “Dat betekent dat er extra energie is die de sterrenstelsels naar buiten duwt, en het blijkt dat deze versnelling halverwege de leeftijd van het heelal begon, ongeveer 6 miljard jaar geleden. Dat is echt een raadsel, waarom dat gebeurde. Er is dus een extra kracht die tegen de zwaartekracht inwerkt en alle sterrenstelsels steeds sneller naar buiten duwt, en dat noemen we donkere energie.”

Wat echt opmerkelijk is aan donkere materie en donkere energie, is hoe wijdverbreid ze zijn. Wanneer we de totale energiecomponent van het heelal beschouwen, huidige schattingen laten zien dat ongeveer 68% van het universum uit donkere energie bestaat, terwijl 27% uit donkere materie bestaat. Alle normale materie die we om ons heen zien – elke ster, elke planeet, elk gasmolecuul – vormt slechts 5% van alles wat bestaat.

Er is dus 95% van het universum dat we nauwelijks begrijpen. “Dit is de grootste puzzel die we momenteel hebben in de natuurkunde en astronomie”, zegt Laureijs. “Als astronoom is het echt geweldig om op dit moment aan dit probleem te werken.”

Hoe je op het onzichtbare jaagt

De traditionele methode voor het zoeken naar donkere energie is het meten van de uitdijing van het heelal door het waarnemen van supernova's. Als een supernova ontploft in een ver sterrenstelsel, kunnen we de energie die hij afgeeft volgen om te schatten hoe ver hij verwijderd is – maar er zijn beperkingen van deze aanpak. De afgelopen decennia zijn er dus twee nieuwe methoden bedacht om de uitdijing van het heelal te meten, en Euclides zal van beide gebruik maken.

De eerste methode is kijken naar de verdeling van sterrenstelsels over het heelal. Astronomen kijken naar de afstand tot een sterrenstelsel en observeren de roodverschuiving (de mate waarin licht uit dat sterrenstelsel wordt uitgezonden). wordt verschoven naar het rode uiteinde van het spectrum), en op basis hiervan kunnen ze berekenen hoe snel het sterrenstelsel zich verwijdert ons.

De tweede methode is het observeren van de verspreiding van donkere materie. We weten dat de verdeling van gewone materie de verdeling van donkere materie volgt, en dat er veel meer donkere materie bestaat dan gewone materie. De zwaartekrachteffecten van donkere materie kunnen worden waargenomen via een techniek die zwaartekrachtlensing wordt genoemd, waarbij de massa van de donkere materie het licht eromheen buigt.

Dit is de reden waarom Euclides op zoek is naar zowel donkere materie als donkere energie – omdat het leren over de een ons ook over de ander kan leren.

Een ongelooflijk niveau van precisie

Om de soorten gegevens te verzamelen die nodig zijn om donkere energie en donkere materie te bestuderen, zijn de hulpmiddelen conceptueel relatief eenvoudig. Euclides heeft twee primaire instrumenten: een infraroodcamera/spectrometer en een gigantische optische camera.

Het infraroodinstrument beschikt over verschillende filters en tralieprisma's waarmee het de roodverschuiving van verre sterrenstelsels kan meten, wat laat zien hoe ver ze van ons verwijderd zijn. De optische camera is een mozaïek van 36 sensoren die een totale resolutie van ruim 600 megapixels opleveren, wat resulteert in extreem scherpe beelden, zoals een veel nauwkeurigere versie van een digitale camera. En dan is er nog de telescoop zelf met zijn spiegel van 1,2 meter.

De uitdaging bij het bouwen van de hardware is het ongelooflijk hoge vereiste precisieniveau. De vervormingen waar wetenschappers naar op zoek zijn vanwege de aanwezigheid van donkere materie en donkere energie zijn zo klein dat de instrumenten ongelooflijk gevoelig moeten zijn, in staat om zelfs de kleinste fluctuaties in de meetwaarden op te vangen. Maar dat betekent dat elke verandering in de omgeving van de telescoop zelf de gegevens op een grote manier kan vervormen. Zelfs zoiets kleins als het inschakelen van elektronica in de satelliet zal merkbaar zijn in de metingen die het doet.

“De telescoop is zo gebouwd dat hij extreem stabiel is en zeer scherpe beelden geeft”, aldus Laureijs. “En het heeft een heel groot gezichtsveld. Als je alles bij elkaar optelt – stabiel, scherp en groot gezichtsveld – krijg je een onmogelijk ontwerp! Het is dus heel moeilijk.”

Eén manier waarop het team dit ontwerpprobleem aanpakt, is door de telescoop in de ruimte te plaatsen, waar hij zich in een veel verder gebied zal bevinden stabiele omgeving en kan beelden vier tot vijf keer scherper vastleggen dan het scherpste beeld waaruit kan worden vastgelegd Aarde. Maar er is nog steeds het probleem van zonlicht, omdat het aanpassen van de satelliet ten opzichte van de zon de hoeveelheid warmte die deze ontvangt zal veranderen. Zelfs een verandering van een paar milliwatt aan energie is voldoende om door de instrumenten te worden gedetecteerd.

Het grootste probleem waar telescoopontwerpers mee te maken hebben, is uitbreiding. Wanneer materialen heet worden, zetten ze uit, en zelfs een kleine temperatuurschommeling kan ervoor zorgen dat delen van de telescoop opzwellen en vervormingen in de gegevens veroorzaken.

Als gevolg hiervan zijn de meeste Euclid-componenten opgebouwd uit een opmerkelijk materiaal dat siliciumcarbide wordt genoemd. Dit keramiek heeft een extreem lage uitzettingscoëfficiënt, wat betekent dat het zeer weinig uitzet als het warm wordt. En omdat het in alle instrumenten wordt gebruikt, zal het, als het zich uitbreidt, op een gelijkmatige manier gebeuren. Zelfs de frames voor de sensoren zijn gemaakt van siliciumcarbide, net als de hoofdspiegel van de telescoop. De spiegel is zeer gepolijst tot een tolerantie van enkele nanometers, een proces dat bijna een jaar in beslag nam.

Al deze zorg betekent dat de satelliet extreem stabiel is en scherpe, nauwkeurige beelden kan vastleggen.

Iets aanbieden aan de mensheid

Hoewel de studie van donkere materie en donkere energie vooral van belang is voor de theoretische natuurkunde, kan de jacht ook praktische implicaties hebben. Ten eerste zou de hardware die is ontworpen voor projecten als Euclid en de meettechnieken die worden ontwikkeld op een hele reeks verschillende terreinen kunnen worden gebruikt. Ten tweede is er de rijke rijkdom aan gegevens die Euclides zal verzamelen.

“Met onze data meten we niet alleen donkere energie en donkere materie, maar maken we foto’s van alles wat we op die golflengten aan de hemel zien”, zegt Laureijs. ‘Er zit dus veel meer astronomie in. En dat is ook een spannend onderdeel, omdat we iets bieden aan de mensheid, aan astronomen, wat zo nieuw is. Over acht jaar kun je naar de website van ESA gaan en naar elke positie in de hemel gaan en zien hoe het er met een enorme resolutie uitziet tot een diepte van 10 miljoen jaar geleden.”

Maar in de eerste plaats gaat de zoektocht naar donkere materie en donkere energie over het begrijpen hoe ons universum op de meest fundamentele punten werkt niveau, en het beantwoorden van een vraag die op dit moment volkomen verbijsterend is: “Wat we om ons heen zien is slechts 5% van wat er in ons universum is. De overige 95% bestaat uit donkere materie en donkere energie, iets wat we nauwelijks kunnen verklaren”, aldus Laureijs. “Dit is voor mij de fundamentele reden dat we Euclides doen.”

Het is deze vreemde, onverklaarbare vraag waaruit het universum bestaat die wetenschappers, ingenieurs en astronomen drijft die aan donkere materie werken. Omdat wat we om ons heen zien slechts een oppervlakkige schets is van wat er in het onbekende bestaat.