Изучение темной материи, самого загадочного вещества во Вселенной

Возможно, самый большой вопрос в астрономии сейчас звучит просто: из чего состоит Вселенная? Мы знаем о протонах, нейтронах и электронах, и мы знаем, что эти частицы объединяются, чтобы создать наблюдаемую нами Вселенную: звезды, планеты, кометы и черные дыры.

Но все это лишь малая часть того, что существует. Обычная материя, которую астрономы называют барионной материей, находится в меньшинстве, когда вы смотрите на нашу Вселенную в целом. На самом деле во Вселенной доминируют темная материя и темная энергия — две загадочные вещи, которые мы никогда не обнаруживали напрямую.

Чтобы исследовать эту странную загадку, Европейское космическое агентство (ЕКА) создает пространство Евклида. телескоп, передовой проект по исследованию как темной материи, так и темной энергии, который будет запущен в 2022 году.

Чтобы узнать больше о том, как создать инструмент для поиска чего-то невидимого, мы поговорили с Рене Лорейсом, научным сотрудником проекта Euclid.

Видя только эффекты

И темная материя, и темная энергия являются теоретическими конструкциями, поскольку у нас есть веские основания полагать, что они существуют, хотя ни одна из них никогда не была обнаружена напрямую. Вместо этого мы знаем, что они должны быть там, потому что видим их влияние на Вселенную.

«Темная материя — это то, что вы видите только последствие», — объяснил Лаурейс. «Итак, вы видите что-то движущееся или предметы, притягивающие друг друга, и не знаете, что является причиной этого. Мы видим это также в астрономии, что вещи притягиваются или движутся, и, глядя на то, что происходит вокруг, мы не можем объяснить эти движения присутствием обычной материи».

Это притяжение по-настоящему заметно только в очень больших масштабах, глядя на объекты размером с галактику. Сначала астрономы подумали, что, возможно, что-то не так с их описанием гравитации, и поэтому в астрономических масштабах она выглядела иначе. Но теперь они в значительной степени убеждены, что эти эффекты вызывает частица, хотя обнаружение самой частицы является постоянной проблемой. «Мы никогда этого не видели, но видим косвенные доказательства существования чего-то, что ведет себя как материя, но невидимо. И это то, что мы называем темной материей», — сказал Лаурейс.

А еще есть темная энергия. Она похожа на темную материю в том, что представляет собой конструкцию, используемую для объяснения неожиданных наблюдений о Вселенной. Но оно совсем другое: астрономы считают, что это может быть форма энергии, а не частица. Его используют для объяснения расширения Вселенной. Мы знаем, что Вселенная расширяется, но наблюдения в 1990-х годах с помощью новых инструментов, таких как космический телескоп Хаббл, шокировали астрономов, показав, что скорость расширения ускоряется.

«Это очень тонкий эффект, но, точно измеряя расстояния до далеких галактик, люди 20 лет назад обнаружил, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется ускоренно». Лаурейс объяснил. «Это означает, что существует дополнительная энергия, выталкивающая галактики, и оказывается, что это ускорение началось в середине возраста Вселенной, около 6 миллиардов лет назад. Это действительно загадка, почему это произошло. Таким образом, существует дополнительная сила, действующая против гравитации, выталкивающая все галактики наружу с ускорением, и это то, что мы называем темной энергией».

Что действительно примечательно в темной материи и темной энергии, так это то, насколько они распространены. Если рассматривать полную энергетическую составляющую Вселенной, текущие оценки показывают, что около 68% Вселенной состоит из темной энергии, а 27% — из темной материи. Вся нормальная материя, которую мы видим вокруг себя – каждая звезда, каждая планета, каждая молекула газа – составляет всего лишь 5% всего существующего.

Итак, 95% Вселенной мы едва понимаем. «Это самая большая загадка, которую мы имеем на данный момент в физике и астрономии», — сказал Лаурейс. «Для астронома действительно здорово находиться в данный момент времени и работать над этой проблемой».

Как охотиться на невидимку

Традиционный метод поиска темной энергии заключался в измерении расширения Вселенной путем наблюдения сверхновых. Если сверхновая взрывается в далекой галактике, мы можем отслеживать энергию, которую она выделяет, чтобы оценить, насколько далеко она находится. ограничения этого подхода. Итак, в последние десятилетия были изобретены два новых метода измерения расширения Вселенной, и Евклид будет использовать оба.

Первый метод — посмотреть на распределение галактик по Вселенной. Астрономы смотрят на расстояние до галактики и наблюдают ее красное смещение (степень, в которой свет от этой галактики сдвинута к красному концу спектра), и на основании этого они могут определить, насколько быстро галактика удаляется от нас.

Второй метод заключается в наблюдении за распространение темной материи. Мы знаем, что распределение обычной материи повторяет распределение темной материи, и что темной материи гораздо больше, чем обычной материи. Гравитационные эффекты темной материи можно увидеть с помощью метода, называемого гравитационным линзированием, при котором масса темной материи огибает свет вокруг себя.

Вот почему Евклид ищет как темную материю, так и темную энергию – потому что изучение одного может также научить нас и другому.

Невероятный уровень точности

Для сбора данных, необходимых для изучения темной энергии и темной материи, инструменты концептуально относительно просты. У Евклида есть два основных инструмента: инфракрасная камера/спектрометр и гигантская оптическая камера.

Инфракрасный прибор оснащен различными фильтрами и решетчатыми призмами, которые позволяют ему измерять красное смещение далеких галактик, которое показывает, насколько далеко они удаляются от нас. Оптическая камера представляет собой мозаику из 36 датчиков с общим разрешением более 600 мегапикселей, что обеспечивает чрезвычайно четкие изображения, как в гораздо более точной версии цифровой камеры. А еще есть сам телескоп с 1,2-метровым зеркалом.

Проблема создания аппаратного обеспечения заключается в том, что требуется невероятно высокий уровень точности. Искажения, которые ищут ученые из-за присутствия темной материи и темной энергии, настолько малы что приборы должны быть невероятно чувствительными, способными улавливать даже малейшие колебания показаний. Но это означает, что любое изменение в среде самого телескопа может существенно исказить данные. Даже такая мелочь, как включение электроники внутри спутника, будет заметна в показаниях, которые он снимает.

«Телескоп сконструирован таким образом, что он чрезвычайно стабилен и дает очень четкие изображения», — сказал Лаурейс. «И у него очень большое поле зрения. Если собрать все вместе – стабильное, четкое и большое поле зрения – получится невозможный дизайн! Так что это очень сложно».

Один из способов решения этой проектной задачи — отправить телескоп в космос, где он окажется в гораздо более отдаленном пространстве. стабильной среде и может снимать изображения в четыре-пять раз четче, чем самое четкое изображение, которое можно было бы получить Земля. Но проблема с солнечным светом все еще остается, поскольку регулировка спутника относительно Солнца изменит количество получаемого тепла. Даже изменения энергии на несколько милливатт достаточно, чтобы приборы зарегистрировали его.

Самая большая проблема, с которой приходится сталкиваться разработчикам телескопов, — это расширение. Когда материалы нагреваются, они расширяются, и даже малейшие колебания температуры могут привести к разбуханию частей телескопа и внесению искажений в данные.

В результате большинство компонентов Euclid изготовлено из замечательного материала, называемого карбидом кремния. Эта керамика имеет чрезвычайно низкий коэффициент расширения, а это означает, что она очень мало расширяется при нагревании. А поскольку он используется во всех инструментах, если он и расширяется, то равномерно. Даже оправы сенсоров изготовлены из карбида кремния, как и главное зеркало телескопа. Зеркало было тщательно отполировано до точности в несколько нанометров, и этот процесс занял почти год.

Вся эта забота означает, что спутник чрезвычайно стабилен и сможет делать резкие и точные изображения.

Предлагая что-то человечеству

Хотя изучение темной материи и темной энергии имеет большое значение для теоретической физики, охота может иметь и практическое значение. Во-первых, аппаратное обеспечение, разработанное для таких проектов, как «Евклид», и разработанные методы измерения могут использоваться в самых разных областях. Во-вторых, Евклид соберет огромное количество данных.

«С помощью наших данных мы не только измеряем темную энергию и темную материю, но и фотографируем все, что видим в небе, на этих длинах волн», — сказал Лаурейс. «Так что здесь гораздо больше астрономии. И это тоже захватывающая часть, потому что мы предлагаем человечеству, астрономам что-то новое. Через восемь лет вы сможете зайти на сайт ЕКА, отправиться в любую точку неба и посмотреть, как она выглядела с огромным разрешением на глубину 10 миллионов лет назад».

Однако в первую очередь поиск темной материи и темной энергии направлен на понимание того, как наша Вселенная работает на самых фундаментальных принципах. уровне и отвечая на вопрос, который сейчас совершенно сбивает с толку: «То, что мы видим вокруг себя, составляет лишь 5% того, что есть в нашей Вселенной. Остальные 95% — это темная материя и темная энергия, что мы вряд ли можем объяснить», — сказал Лаурейс. «Для меня это основная причина, по которой мы занимаемся Евклидом».

Именно этот странный и неизъяснимый вопрос о том, из чего состоит Вселенная, движет учеными, инженерами и астрономами, работающими над темной материей. Потому что то, что мы видим вокруг себя, лишь царапает поверхность того, что существует в неизведанном.