Studiind materia întunecată, cea mai misterioasă substanță din univers

Poate cea mai mare întrebare în astronomie în acest moment este una care sună simplă: din ce este făcut universul? Știm despre protoni, neutroni și electroni și știm că aceste particule se combină pentru a crea universul pe care îl observăm: stele, planete, comete și găuri negre.

Dar toate acestea sunt doar o mică parte din ceea ce există. Materia obișnuită, ceea ce astronomii numesc materie barionică, este minoritară atunci când privești universul nostru ca întreg. Universul este de fapt dominat de materia întunecată și energia întunecată, două lucruri misterioase pe care nu le-am detectat niciodată în mod direct.

Pentru a investiga cele mai ciudate puzzle-uri, Agenția Spațială Europeană (ESA) construiește spațiul Euclid telescop, un proiect de ultimă oră pentru a investiga atât materia întunecată, cât și energia întunecată care va fi lansat în 2022.

Pentru a afla mai multe despre cum construiești un instrument pentru a căuta ceva invizibil, am vorbit cu René Laureijs, om de știință al proiectului Euclid.

Văzând doar efectele

Atât materia întunecată, cât și energia întunecată sunt constructe teoretice, în sensul că avem motive întemeiate să credem că există, chiar dacă niciuna nu a fost detectată vreodată în mod direct. În schimb, știm că trebuie să fie acolo pentru că le vedem efectele asupra universului.

„Materia întunecată este ceva despre care vezi doar efectele”, a explicat Laureijs. „Așa că vezi ceva în mișcare sau lucruri care se atrag unul pe altul și nu știi ce cauzează. Vedem și în astronomie că lucrurile sunt atrase sau lucrurile se mișcă și, privind ceea ce se întâmplă în jur, nu putem explica aceste mișcări prin prezența materiei obișnuite.”

Această atracție este vizibilă doar la scară foarte mare, privind obiectele de dimensiunea galaxiilor. La început, astronomii s-au gândit că poate era ceva în neregulă cu descrierea lor asupra gravitației și de aceea arăta diferit la scara astronomică. Dar acum sunt în mare măsură convinși că este o particulă care provoacă aceste efecte, deși detectarea particulei în sine este o provocare continuă. „Nu am văzut-o niciodată, dar vedem dovezi indirecte pentru ceva care se comportă ca materie, dar care nu poate fi văzut. Și asta numim materie întunecată”, a spus Laureijs.

Și apoi există energia întunecată. Este similar cu materia întunecată prin faptul că este un construct folosit pentru a explica observații neașteptate despre univers. Dar este foarte diferit prin faptul că astronomii cred că poate fi o formă de energie, mai degrabă decât o particulă. Este folosit pentru a explica expansiunea universului. Știm că universul se extinde, dar observațiile din anii 1990 de la noi instrumente precum telescopul spațial Hubble i-au șocat pe astronomi, arătând că rata de expansiune se accelera.

„Este un efect foarte subtil, dar măsurând cu precizie distanțele până la galaxiile îndepărtate, oamenii au a descoperit acum 20 de ani că universul nu numai că se extinde, ci se extinde într-un mod accelerat.” Laureijs explicat. „Asta înseamnă că există o energie suplimentară care împinge galaxiile afară și se dovedește că această accelerație a început la jumătatea vârstei universului, acum aproximativ 6 miliarde de ani. Acesta este cu adevărat un puzzle, de ce s-a întâmplat asta. Deci, există o forță suplimentară care acționează împotriva gravitației, împingând toate galaxiile spre exterior într-un mod accelerat, și asta este ceea ce numim energie întunecată.”

Ceea ce este cu adevărat remarcabil la materia întunecată și energia întunecată este cât de răspândite sunt acestea. Când luăm în considerare componenta energetică totală a universului, estimări curente arată că aproximativ 68% din univers este energie întunecată, în timp ce 27% este materie întunecată. Toată materia normală pe care o vedem în jurul nostru - fiecare stea, fiecare planetă, fiecare moleculă de gaz - însumează doar 5% din tot ceea ce există.

Deci există 95% din univers pe care abia îl înțelegem deloc. „Acesta este cel mai mare puzzle pe care îl avem în prezent în fizică și astronomie”, a spus Laureijs. „Ca astronom, este foarte grozav să fii în acest moment, să lucrezi la această problemă.”

Cum să vânezi invizibilul

Metoda tradițională de căutare a energiei întunecate a fost măsurarea expansiunii universului prin observarea supernovelor. Dacă o supernova explodează într-o galaxie îndepărtată, putem urmări energia pe care o emite pentru a estima cât de departe se află, dar există limitări ale acestei abordări. Așadar, în ultimele decenii, au fost concepute două noi metode de măsurare a expansiunii universului, iar Euclid le va folosi pe ambele.

Prima metodă este de a analiza distribuția galaxiilor în univers. Astronomii se uită la distanța până la o galaxie și îi observă deplasarea spre roșu (gradul în care lumina din galaxie este mutat la capătul roșu al spectrului), iar din aceasta ei pot afla cât de repede se îndepărtează galaxia de S.U.A.

A doua metodă este de a observa distribuția materiei întunecate. Știm că distribuția materiei obișnuite urmează distribuția materiei întunecate și există mult mai multă materie întunecată decât materie obișnuită. Efectele gravitaționale ale materiei întunecate pot fi văzute printr-o tehnică numită lentilă gravitațională, în care masa materiei întunecate îndoaie lumina în jurul ei.

Acesta este motivul pentru care Euclid caută atât materia întunecată, cât și energia întunecată – pentru că învățarea despre una ne poate învăța și despre cealaltă.

Un nivel incredibil de precizie

Pentru a colecta tipurile de date necesare pentru a studia energia întunecată și materia întunecată, instrumentele sunt relativ simple din punct de vedere conceptual. Euclid are două instrumente principale: o cameră/spectrometru în infraroșu și o cameră optică gigantică.

Instrumentul cu infraroșu are diverse filtre și prisme de rețea care îi permit să măsoare deplasarea către roșu a galaxiilor îndepărtate, ceea ce arată cât de departe se îndepărtează de noi. Camera optică este un mozaic de 36 de senzori care dau o rezoluție totală de peste 600 de megapixeli, ceea ce are ca rezultat imagini extrem de clare, ca o versiune mult mai precisă a unei camere digitale. Și apoi este telescopul însuși cu oglinda sa de 1,2 metri.

Provocarea construirii hardware-ului este nivelul incredibil de ridicat de precizie necesar. Distorsiunile pe care oamenii de știință le caută din cauza prezenței materiei întunecate și a energiei întunecate sunt atât de mici că instrumentele trebuie să fie incredibil de sensibile, capabile să detecteze chiar și cele mai mici fluctuații ale citirilor. Dar asta înseamnă că orice modificare a mediului telescopului în sine poate distorsiona datele într-un mod major. Chiar și ceva atât de mic precum pornirea electronicelor în interiorul satelitului va fi observat în citirile necesare.

„Telescopul a fost construit în așa fel încât este extrem de stabil și oferă imagini foarte clare”, a spus Laureijs. „Și are un câmp vizual foarte mare. Dacă puneți totul laolaltă – câmp vizual stabil, clar și mare – obțineți un design imposibil! Deci este foarte greu.”

O modalitate prin care echipa abordează această problemă de proiectare este prin plasarea telescopului în spațiu, unde se va afla într-un mod mult mai mare. mediu stabil și poate captura imagini de patru până la cinci ori mai clare decât cea mai clară imagine care ar putea fi capturată din Pământ. Dar există încă problema luminii solare, deoarece ajustarea satelitului în raport cu soarele va schimba cantitatea de căldură pe care o primește. Chiar și o schimbare de câțiva miliwați de energie este suficientă pentru a fi detectată de instrumente.

Cea mai mare problemă cu care trebuie să se confrunte proiectanții de telescoape este extinderea. Când materialele se încălzesc, ele se extind și chiar și o mică fluctuație a temperaturii ar putea face ca părți ale telescopului să se umfle și să introducă distorsiuni în date.

Ca rezultat, majoritatea componentelor Euclid sunt construite dintr-un material remarcabil numit carbură de siliciu. Această ceramică are un coeficient de dilatare extrem de scăzut, ceea ce înseamnă că se extinde foarte puțin atunci când se încălzește. Și pentru că este folosit în toate instrumentele, dacă se extinde, o face într-un mod uniform. Chiar și ramele pentru senzori sunt din carbură de siliciu, la fel ca și oglinda principală pentru telescop. Oglinda a fost foarte lustruită până la o toleranță de câțiva nanometri, proces care a durat aproape un an.

Toată această grijă înseamnă că satelitul este extrem de stabil și va putea capta imagini clare și precise.

Oferind ceva omenirii

În timp ce studiul materiei întunecate și al energiei întunecate este în mare parte important pentru fizica teoretică, vânătoarea poate avea și implicații practice. În primul rând, hardware-ul care este conceput pentru proiecte precum Euclid și tehnicile de măsurare care sunt dezvoltate ar putea fi utilizate într-o gamă întreagă de domenii diferite. În al doilea rând, există bogăția bogată de date pe care Euclid o va colecta.

„Cu datele noastre, nu numai că măsurăm energia întunecată și materia întunecată, ci și fotografiam tot ceea ce vedem pe cer pe acele lungimi de undă”, a spus Laureijs. „Deci, există mult mai multă astronomie în el. Și aceasta este, de asemenea, o parte interesantă, pentru că oferim ceva umanității, astronomilor, care este atât de nou. Peste opt ani, puteți accesa site-ul web al ESA și puteți merge în orice poziție de pe cer și puteți vedea cum arată, cu o rezoluție enormă, la o adâncime de acum 10 milioane de ani.”

În primul rând, însă, căutarea materiei întunecate și a energiei întunecate se referă la înțelegerea modului în care universul nostru funcționează pe cele mai fundamentale nivel și răspunzând la o întrebare care este absolut derutantă chiar acum: „Ceea ce vedem în jurul nostru este doar 5% din ceea ce există în universul nostru. Celelalte 95% sunt materie întunecată și energie întunecată, ceva ce cu greu putem explica”, a spus Laureijs. „Acesta este, pentru mine, motivul fundamental pentru care facem Euclid.”

Această întrebare ciudată și inexplicabilă a din ce este alcătuit universul îi motivează pe oamenii de știință, inginerii și astronomii care lucrează la materia întunecată. Pentru că ceea ce vedem în jurul nostru nu face decât să zgârie suprafața a ceea ce există în necunoscut.