Badanie ciemnej materii, najbardziej tajemniczej substancji we wszechświecie

Być może najważniejszym pytaniem w astronomii jest obecnie to, które brzmi prosto: z czego zbudowany jest wszechświat? Wiemy o protonach, neutronach i elektronach i wiemy, że te cząstki łączą się, tworząc obserwowany przez nas wszechświat: gwiazdy, planety, komety i czarne dziury.

Ale to wszystko to tylko niewielki ułamek tego, co istnieje. Zwykła materia, którą astronomowie nazywają materią barionową, stanowi mniejszość, jeśli spojrzeć na nasz Wszechświat jako całość. Tak naprawdę we wszechświecie dominują ciemna materia i ciemna energia – dwie tajemnicze rzeczy, których nigdy bezpośrednio nie odkryliśmy.

Aby zbadać tę najdziwniejszą zagadkę, Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) buduje przestrzeń Euclid teleskop, nowatorski projekt mający na celu badanie zarówno ciemnej materii, jak i ciemnej energii, który zostanie wystrzelony w 2022 r.

Aby dowiedzieć się więcej o tym, jak zbudować narzędzie do wyszukiwania czegoś niewidzialnego, rozmawialiśmy z René Laureijsem, naukowcem projektu Euclid.

Widząc tylko efekty

Zarówno ciemna materia, jak i ciemna energia są konstruktami teoretycznymi, w tym sensie, że mamy uzasadnione powody, aby wierzyć, że istnieją, mimo że nigdy nie zostały bezpośrednio wykryte. Zamiast tego wiemy, że muszą tam być, ponieważ widzimy ich wpływ na wszechświat.

„Ciemna materia to coś, czego widać jedynie skutki” – wyjaśniła Laureijs. „Widzisz więc, że coś się porusza lub rzeczy przyciągają się nawzajem, i nie wiesz, co jest tego przyczyną. Widzimy to również w astronomii, że rzeczy się przyciągają lub poruszają się, ale patrząc na to, co się dzieje, nie możemy wyjaśnić tych ruchów obecnością zwykłej materii.

To przyciąganie jest naprawdę zauważalne tylko w bardzo dużych skalach, patrząc na obiekty wielkości galaktyk. Początkowo astronomowie myśleli, że może coś jest nie tak z ich opisem grawitacji i dlatego w skalach astronomicznych wygląda ona inaczej. Jednak obecnie są w dużej mierze przekonani, że to cząstka powoduje te efekty, chociaż wykrycie samej cząstki stanowi ciągłe wyzwanie. „Nigdy tego nie widzieliśmy, ale widzimy pośredni dowód na coś, co zachowuje się jak materia, ale nie można go zobaczyć. I to właśnie nazywamy ciemną materią” – powiedziała Laureijs.

A potem jest ciemna energia. Jest podobna do ciemnej materii, ponieważ jest konstruktem używanym do wyjaśniania nieoczekiwanych obserwacji Wszechświata. Różni się jednak tym, że astronomowie uważają, że może to być forma energii, a nie cząstka. Służy do wyjaśnienia ekspansji wszechświata. Wiemy, że Wszechświat się rozszerza, ale obserwacje przeprowadzone w latach 90. XX wieku za pomocą nowych narzędzi, takich jak Kosmiczny Teleskop Hubble'a, zszokowały astronomów, pokazując, że tempo ekspansji przyspiesza.

„To bardzo subtelny efekt, ale ludzie faktycznie mierzą odległości do odległych galaktyk odkrył 20 lat temu, że wszechświat nie tylko się rozszerza, ale rozszerza się w przyspieszony sposób.” Laureijs wyjaśnione. „Oznacza to, że istnieje dodatkowa energia wypychająca galaktyki i okazuje się, że to przyspieszenie rozpoczęło się w połowie wieku Wszechświata, około 6 miliardów lat temu. To naprawdę zagadka, dlaczego tak się stało. Zatem istnieje dodatkowa siła działająca wbrew grawitacji, wypychająca wszystkie galaktyki na zewnątrz w coraz szybszy sposób i to właśnie nazywamy ciemną energią.”

To, co jest naprawdę niezwykłe w przypadku ciemnej materii i ciemnej energii, to ich rozpowszechnienie. Rozważając całkowity składnik energii wszechświata, aktualne szacunki pokazują, że około 68% Wszechświata to ciemna energia, a 27% to ciemna materia. Cała normalna materia, którą widzimy wokół nas – każda gwiazda, każda planeta, każda cząsteczka gazu – stanowi zaledwie 5% wszystkiego, co istnieje.

Zatem istnieje 95% wszechświata, którego prawie w ogóle nie rozumiemy. „To największa zagadka, jaką mamy obecnie w fizyce i astronomii” – powiedział Laureijs. „Jako astronom naprawdę wspaniale jest być w tym momencie i pracować nad tym problemem”.

Jak polować na niewidzialne

Tradycyjna metoda poszukiwania ciemnej energii polega na mierzeniu ekspansji Wszechświata poprzez obserwację supernowych. Jeśli supernowa eksploduje w odległej galaktyce, możemy śledzić wydzielaną przez nią energię i oszacować, jak daleko się znajduje – ale istnieją ograniczenia tego podejścia. Tak więc w ostatnich dziesięcioleciach opracowano dwie nowe metody pomiaru rozszerzania się Wszechświata i Euklides wykorzysta obydwie.

Pierwsza metoda polega na przyjrzeniu się rozmieszczeniu galaktyk we wszechświecie. Astronomowie patrzą na odległość do galaktyki i obserwują jej przesunięcie ku czerwieni (stopień, w jakim światło z tej galaktyki jest przesunięta na czerwony koniec widma) i na tej podstawie mogą obliczyć, jak szybko galaktyka się oddala nas.

Drugą metodą jest obserwacja rozkład ciemnej materii. Wiemy, że rozkład zwykłej materii następuje po rozmieszczeniu ciemnej materii, a ciemnej materii jest tam znacznie więcej niż zwykłej materii. Efekty grawitacyjne ciemnej materii można zaobserwować za pomocą techniki zwanej soczewkowaniem grawitacyjnym, w której masa ciemnej materii zagina wokół siebie światło.

Właśnie dlatego Euklides poszukuje zarówno ciemnej materii, jak i ciemnej energii – ponieważ poznanie jednej może nas także nauczyć o drugiej.

Niesamowity poziom precyzji

Narzędzia te są koncepcyjnie stosunkowo proste do gromadzenia danych wymaganych do badania ciemnej energii i ciemnej materii. Euclid ma dwa podstawowe instrumenty: kamerę/spektrometr na podczerwień i gigantyczną kamerę optyczną.

Instrument na podczerwień wyposażony jest w różne filtry i pryzmaty siatkowe, które pozwalają mierzyć przesunięcie ku czerwieni odległych galaktyk, co pokazuje, jak daleko się one od nas oddalają. Kamera optyczna to mozaika 36 czujników, które dają łączną rozdzielczość ponad 600 megapikseli, co skutkuje wyjątkowo ostrymi obrazami, niczym znacznie bardziej precyzyjna wersja aparatu cyfrowego. Jest też sam teleskop z 1,2-metrowym zwierciadłem.

Wyzwaniem związanym z budowaniem sprzętu jest wymagana niewiarygodnie wysoka precyzja. Zniekształcenia, których szukają naukowcy, spowodowane obecnością ciemnej materii i ciemnej energii, są tak małe że przyrządy muszą być niezwykle czułe i zdolne wychwycić nawet najmniejsze wahania odczytów. Oznacza to jednak, że jakakolwiek zmiana w otoczeniu samego teleskopu może w znaczący sposób zniekształcić dane. Nawet coś tak drobnego jak włączenie elektroniki w satelicie będzie zauważalne w odczytach.

„Teleskop został zbudowany w taki sposób, że jest wyjątkowo stabilny i daje bardzo ostre obrazy” – powiedział Laureijs. „I ma bardzo duże pole widzenia. Jeśli złożysz wszystko w jedną całość – stabilne, ostre i duże pole widzenia – otrzymasz projekt niemożliwy! Jest to więc bardzo trudne.”

Jednym ze sposobów podejścia zespołu do tego problemu projektowego jest umieszczenie teleskopu w przestrzeni kosmicznej, gdzie będzie się znajdował w znacznie większej odległości stabilnym środowisku i może rejestrować obrazy od czterech do pięciu razy ostrzejsze niż najostrzejszy obraz, jaki można przechwycić Ziemia. Jednak nadal pozostaje problem światła słonecznego, ponieważ ustawienie satelity względem słońca zmieni ilość odbieranego przez niego ciepła. Nawet zmiana o kilka miliwatów energii wystarczy, aby zostały wykryte przez instrumenty.

Największym problemem, z jakim muszą się zmierzyć projektanci teleskopów, jest ekspansja. Kiedy materiały nagrzewają się, rozszerzają się, a nawet niewielka zmiana temperatury może spowodować pęcznienie części teleskopu i wprowadzanie zniekształceń do danych.

W rezultacie większość komponentów Euclid jest zbudowana z niezwykłego materiału zwanego węglikiem krzemu. Ceramika ta ma wyjątkowo niski współczynnik rozszerzalności, co oznacza, że ​​rozszerza się bardzo nieznacznie pod wpływem ciepła. A ponieważ jest stosowany we wszystkich instrumentach, jeśli się rozszerza, dzieje się to równomiernie. Nawet ramki czujników wykonano z węglika krzemu, podobnie jak główne zwierciadło teleskopu. Lustro zostało wypolerowane na wysoki połysk z tolerancją kilku nanometrów, co zajęło prawie rok.

Wszystkie te zabiegi oznaczają, że satelita jest wyjątkowo stabilny i będzie w stanie rejestrować ostre i dokładne obrazy.

Oferując coś ludzkości

Chociaż badanie ciemnej materii i ciemnej energii ma głównie znaczenie dla fizyki teoretycznej, polowanie może mieć również implikacje praktyczne. Po pierwsze, sprzęt przeznaczony do projektów takich jak Euclid i opracowane techniki pomiarowe można wykorzystać w wielu różnych dziedzinach. Po drugie, Euclid zgromadzi bogate bogactwo danych.

„Dzięki naszym danym nie tylko mierzymy ciemną energię i ciemną materię, ale robimy zdjęcia wszystkiego, co widzimy na niebie w tych długościach fal” – powiedziała Laureijs. „Jest w tym więc znacznie więcej astronomii. To także jest ekscytująca część, ponieważ oferujemy ludzkości, astronomom coś, co jest tak nowe. Za osiem lat będzie można wejść na stronę internetową ESA i udać się w dowolne miejsce na niebie i zobaczyć, z ogromną rozdzielczością, jak to wygląda na głębokości 10 milionów lat temu”.

Przede wszystkim jednak poszukiwanie ciemnej materii i ciemnej energii polega na zrozumieniu, w jaki sposób nasz wszechświat działa na najbardziej fundamentalnych zasadach poziomie i odpowiadając na pytanie, które w tej chwili jest całkowicie zaskakujące: „To, co widzimy wokół nas, to tylko 5% tego, co jest w naszym wszechświecie. Pozostałe 95% to ciemna materia i ciemna energia, coś, czego trudno wyjaśnić” – powiedziała Laureijs. „To jest dla mnie podstawowy powód, dla którego robimy Euclid”.

To właśnie to dziwne, niewytłumaczalne pytanie o to, z czego składa się wszechświat, napędza naukowców, inżynierów i astronomów pracujących nad ciemną materią. Ponieważ to, co widzimy wokół nas, to jedynie zarys powierzchni tego, co istnieje w nieznanym.