Det kanskje største spørsmålet i astronomi akkurat nå er et som høres enkelt ut: Hva er universet laget av? Vi vet om protoner, nøytroner og elektroner, og vi vet at disse partiklene kombineres for å skape universet vi observerer: Stjerner, planeter, kometer og sorte hull.
Innhold
- Ser bare effektene
- Hvordan jakte på det usynlige
- Et utrolig nivå av presisjon
- Å tilby noe til menneskeheten
Men alt dette er bare en liten brøkdel av det som eksisterer. Vanlig materie, det astronomer kaller baryonisk materie, er i mindretall når man ser på universet vårt som en helhet. Universet er faktisk dominert av mørk materie og mørk energi, to mystiske ting vi aldri har oppdaget direkte.
Anbefalte videoer
For å undersøke disse merkeligste gåtene bygger European Space Agency (ESA) Euklid-rommet telescope, et banebrytende prosjekt for å undersøke både mørk materie og mørk energi som vil bli lansert i 2022.
For å lære mer om hvordan du bygger et verktøy for å søke etter noe usynlig, snakket vi med René Laureijs, prosjektforsker for Euclid.
Ser bare effektene
Både mørk materie og mørk energi er teoretiske konstruksjoner, ved at vi har god grunn til å tro at de eksisterer, selv om ingen av dem har blitt oppdaget direkte. I stedet vet vi at de må være der fordi vi ser effektene deres på universet.
"Mørk materie er noe du bare ser effekten av," forklarte Laureijs. "Så du ser noe som beveger seg, eller ting som tiltrekker hverandre, og du vet ikke hva som forårsaker det. Vi ser det også i astronomi at ting tiltrekkes, eller ting beveger seg, og ved å se på hva som skjer rundt, kan vi ikke forklare disse bevegelsene med tilstedeværelsen av vanlig materie.»
Denne attraksjonen er bare virkelig merkbar på veldig store skalaer, når man ser på objekter på størrelse med galakser. Først trodde astronomer at det kanskje var noe galt med deres beskrivelse av tyngdekraften, og det var derfor det så annerledes ut på astronomiske skalaer. Men de er nå stort sett overbevist om at det er en partikkel som forårsaker disse effektene, selv om det er en kontinuerlig utfordring å oppdage selve partikkelen. "Vi har aldri sett det, men vi ser indirekte bevis for noe som oppfører seg som materie, men som ikke kan sees. Og det er det vi kaller mørk materie, sa Laureijs.
Og så er det mørk energi. Det ligner på mørk materie ved at det er en konstruksjon som brukes til å forklare uventede observasjoner om universet. Men det er veldig annerledes ved at astronomer tror det kan være en form for energi, snarere enn en partikkel. Det brukes til å forklare utvidelsen av universet. Vi vet at universet utvider seg, men observasjoner på 1990-tallet fra nye verktøy som Hubble-romteleskopet sjokkerte astronomene ved å vise at ekspansjonshastigheten akselererte.
"Dette er det største puslespillet vi har for øyeblikket innen fysikk og astronomi."
"Det er en veldig subtil effekt, men ved nøyaktig å måle avstandene til fjerne galakser, har folk oppdaget for 20 år siden at universet ikke bare utvider seg, men ekspanderer på en akselerert måte." Laureijs forklart. "Det betyr at det er en ekstra energi som presser galaksene ut, og det viser seg at denne akselerasjonen startet halvveis i universets alder, for rundt 6 milliarder år siden. Det er virkelig et puslespill, hvorfor det skjedde. Så det er en ekstra kraft som virker mot tyngdekraften, som presser alle galaksene utover på en akselererende måte, og det er det vi kaller mørk energi."
Det som virkelig er bemerkelsesverdig med mørk materie og mørk energi er hvor utbredt de er. Når man vurderer den totale energikomponenten i universet, nåværende estimater viser at rundt 68 % av universet er mørk energi, mens 27 % er mørk materie. All den normale materien vi ser rundt oss – hver stjerne, hver planet, hvert gassmolekyl – utgjør bare 5 % av alt som eksisterer.
Så det er 95% av universet som vi knapt forstår i det hele tatt. "Dette er det største puslespillet vi har for øyeblikket innen fysikk og astronomi," sa Laureijs. "Som astronom er det virkelig flott å være på dette tidspunktet, å jobbe med dette problemet."
Hvordan jakte på det usynlige
Den tradisjonelle metoden for å lete etter mørk energi har vært å måle utvidelsen av universet ved å observere supernovaer. Hvis en supernova eksploderer i en fjern galakse, kan vi spore energien den avgir for å anslå hvor langt unna den er – men det er begrensninger for denne tilnærmingen. Så de siste tiårene har to nye metoder for å måle universets ekspansjon blitt unnfanget, og Euklid vil benytte seg av begge.
Den første metoden er å se på fordelingen av galakser over universet. Astronomer ser på avstanden til en galakse og observerer rødforskyvningen (graden i hvilken lys fra den galaksen forskyves til den røde enden av spekteret), og ut fra dette kan de finne ut hvor raskt galaksen beveger seg bort fra oss.
Den andre metoden er å observere distribusjon av mørk materie. Vi vet at fordelingen av vanlig materie følger fordelingen av mørk materie, og det er mye mer mørk materie enn vanlig materie der ute. Gravitasjonseffektene av mørk materie kan sees gjennom en teknikk som kalles gravitasjonslinsing, der massen av mørk materie bøyer lys rundt den.
Dette er grunnen til at Euklid søker etter både mørk materie og mørk energi – fordi å lære om den ene kan også lære oss om den andre.
Et utrolig nivå av presisjon
For å samle inn den typen data som kreves for å studere mørk energi og mørk materie, er verktøyene konseptuelt relativt enkle. Euclid har to primære instrumenter: Et infrarødt kamera/spektrometer, og et gigantisk optisk kamera.
Det infrarøde instrumentet har ulike filtre og gitterprismer som lar det måle rødforskyvningen til fjerne galakser, som viser hvor langt de beveger seg bort fra oss. Det optiske kameraet er en mosaikk av 36 sensorer som gir en total oppløsning på over 600 megapiksler, noe som resulterer i ekstremt skarpe bilder, som en mye mer presis versjon av et digitalkamera. Og så er det selve teleskopet med speilet på 1,2 meter.
Utfordringen med å bygge maskinvaren er det utrolig høye presisjonsnivået som kreves. Forvrengningene som forskerne leter etter på grunn av tilstedeværelsen av mørk materie og mørk energi er så små at instrumentene må være utrolig følsomme, i stand til å fange opp selv de minste svingninger i avlesningene. Men det betyr at enhver endring i miljøet til selve teleskopet kan forvrenge dataene på en betydelig måte. Selv noe så lite som å slå på elektronikk i satellitten vil merkes i avlesningene den tar.
"Teleskopet er bygget på en slik måte at det er ekstremt stabilt og gir veldig skarpe bilder," sa Laureijs. "Og den har et veldig stort synsfelt. Setter du alt sammen – stabilt, skarpt og stort synsfelt – får du et umulig design! Så det er veldig vanskelig."
En måte teamet nærmer seg dette designproblemet på er ved å sette teleskopet i verdensrommet, hvor det vil være i en langt mer stabilt miljø og kan ta bilder fire til fem ganger skarpere enn det skarpeste bildet som kan tas fra Jord. Men det er fortsatt problemet med sollys, siden justering av satellitten i forhold til solen vil endre hvor mye varme den mottar. Selv en endring på noen få milliwatt energi er nok til å bli oppdaget av instrumentene.
Det største problemet som teleskopdesignere må slite med er utvidelse. Når materialer blir varme, utvider de seg, og selv en liten temperatursvingning kan føre til at deler av teleskopet sveller og introduserer forvrengninger i dataene.
Som et resultat er de fleste av Euklid-komponentene bygget av et bemerkelsesverdig materiale kalt silisiumkarbid. Denne keramikken har en ekstremt lav ekspansjonskoeffisient, som gjør at den utvider seg veldig lite når den blir varm. Og fordi den brukes gjennom instrumentene, hvis den utvider seg, gjør den det på en jevn måte. Selv rammene til sensorene er laget av silisiumkarbid, det samme er hovedspeilet til teleskopet. Speilet har blitt svært polert til en toleranse på noen få nanometer, en prosess som tok nesten et år.
All denne omsorgen gjør at satellitten er ekstremt stabil, og vil kunne ta skarpe, nøyaktige bilder.
Å tilby noe til menneskeheten
Mens studiet av mørk materie og mørk energi er mest av betydning for teoretisk fysikk, kan jakten også ha praktiske implikasjoner. For det første kan maskinvaren som er designet for prosjekter som Euclid og måleteknikkene som utvikles brukes på en rekke forskjellige felt. For det andre er det den rike mengde data som Euclid vil samle inn.
"Med våre data måler vi ikke bare mørk energi og mørk materie, men vi tar bilder av alt vi ser på himmelen på disse bølgelengdene," sa Laureijs. "Så det er mye mer astronomi i det. Og det er også en spennende del, fordi vi tilbyr noe til menneskeheten, til astronomer som er så nytt. Om åtte år kan du gå til ESAs nettsted og gå til en hvilken som helst posisjon på himmelen og se hvordan den ser ut, med enorm oppløsning, til en dybde på 10 millioner år siden.»
Men først og fremst handler søket etter mørk materie og mørk energi om å forstå hvordan universet vårt fungerer på det mest grunnleggende nivå, og svare på et spørsmål som er fullstendig forvirrende akkurat nå: «Det vi ser rundt oss er bare 5 % av det som finnes i universet vårt. De andre 95 % er mørk materie og mørk energi, noe vi knapt kan forklare, sa Laureijs. "Dette er, for meg, den grunnleggende grunnen til at vi gjør Euklid."
Det er dette merkelige, uforklarlige spørsmålet om hva universet består av som driver forskere, ingeniører og astronomer som jobber med mørk materie. For det vi ser rundt oss skraper bare i overflaten av det som eksisterer ute i det ukjente.
