Snáď najväčšia otázka v astronómii je momentálne tá, ktorá znie jednoducho: Z čoho sa skladá vesmír? Vieme o protónoch, neutrónoch a elektrónoch a vieme, že tieto častice sa spájajú, aby vytvorili vesmír, ktorý pozorujeme: hviezdy, planéty, kométy a čierne diery.
Obsah
- Vidieť len efekty
- Ako loviť neviditeľné
- Neuveriteľná úroveň presnosti
- Ponúknuť niečo ľudstvu
Ale toto všetko je len malý zlomok toho, čo existuje. Obyčajná hmota, čo astronómovia nazývajú baryonická hmota, je v menšine, keď sa pozriete na náš vesmír ako celok. Vesmíru v skutočnosti dominuje temná hmota a temná energia, dve záhadné veci, ktoré sme nikdy priamo nezistili.
Odporúčané videá
Európska vesmírna agentúra (ESA) stavia priestor Euclid, aby preskúmala túto najpodivnejšiu hádanku teleskop, špičkový projekt na skúmanie temnej hmoty a temnej energie, ktorý bude spustený v roku 2022.
Ak sa chcete dozvedieť viac o tom, ako vytvoriť nástroj na hľadanie niečoho neviditeľného, oslovili sme René Laureijsa, projektového vedca pre Euclid.
Vidieť len efekty
Temná hmota aj temná energia sú teoretické konštrukty v tom, že máme dobrý dôvod veriť, že existujú, aj keď ani jedna nebola nikdy priamo detegovaná. Namiesto toho vieme, že tam musia byť, pretože vidíme ich účinky na vesmír.
„Temná hmota je niečo, čoho vidíte len dôsledky,“ vysvetlil Laureijs. „Takže vidíte, že sa niečo hýbe alebo veci, ktoré sa navzájom priťahujú, a neviete, čo to spôsobuje. Vidíme to aj v astronómii, že veci sa priťahujú alebo sa pohybujú, a keď sa pozrieme na to, čo sa deje okolo, nemôžeme vysvetliť tieto pohyby prítomnosťou bežnej hmoty."
Táto príťažlivosť je skutočne badateľná len vo veľmi veľkých mierkach, pri pohľade na objekty veľkosti galaxií. Astronómovia si najskôr mysleli, že s ich popisom gravitácie možno nie je niečo v poriadku, a preto to v astronomických mierkach vyzerá inak. Teraz sú však do značnej miery presvedčení, že tieto účinky spôsobuje častica, hoci detekcia samotnej častice je neustálou výzvou. „Nikdy sme to nevideli, ale vidíme nepriame dôkazy o niečom, čo sa správa ako hmota, ale nie je vidieť. A to je to, čo nazývame temnou hmotou, "povedal Laureijs.
A potom je tu temná energia. Je to podobné temnej hmote v tom, že ide o konštrukt používaný na vysvetlenie neočakávaných pozorovaní o vesmíre. Ale je to veľmi odlišné v tom, že astronómovia si myslia, že to môže byť skôr forma energie ako častica. Používa sa na vysvetlenie expanzie vesmíru. Vieme, že vesmír sa rozpína, ale pozorovania v 90. rokoch z nových nástrojov, ako je Hubbleov vesmírny teleskop, šokovali astronómov tým, že ukázali, že rýchlosť expanzie sa zrýchľuje.
"Toto je najväčšia hádanka, ktorú v súčasnosti máme vo fyzike a astronómii."
"Je to veľmi jemný efekt, ale presným meraním vzdialeností vzdialených galaxií to ľudia majú." pred 20 rokmi zistili, že vesmír sa nielen rozpína, ale rozpína sa aj zrýchleným spôsobom. Laureijs vysvetlil. "To znamená, že existuje dodatočná energia, ktorá tlačí galaxie von, a ukázalo sa, že toto zrýchlenie začalo v polovici veku vesmíru, asi pred 6 miliardami rokov." To je naozaj hádanka, prečo sa to stalo. Takže proti gravitácii pôsobí ďalšia sila, ktorá zrýchľuje všetky galaxie smerom von, a to je to, čo nazývame temná energia."
Čo je na temnej hmote a temnej energii skutočne pozoruhodné, je to, aká je ich rozšírenosť. Keď vezmeme do úvahy celkovú energetickú zložku vesmíru, aktuálne odhady ukazujú, že približne 68 % vesmíru tvorí temná energia, zatiaľ čo 27 % tvorí temná hmota. Všetka normálna hmota, ktorú vidíme okolo seba – každá hviezda, každá planéta, každá molekula plynu – tvorí iba 5 % všetkého, čo existuje.
Takže je tu 95 % vesmíru, ktorému takmer vôbec nerozumieme. "Toto je najväčšia hádanka, ktorú v súčasnosti máme vo fyzike a astronómii," povedal Laureijs. "Pre astronóma je naozaj skvelé byť v tomto okamihu a pracovať na tomto probléme."
Ako loviť neviditeľné
Tradičnou metódou hľadania temnej energie bolo meranie expanzie vesmíru pozorovaním supernov. Ak supernova exploduje vo vzdialenej galaxii, môžeme sledovať energiu, ktorú vydáva, aby sme odhadli, ako ďaleko je – ale existujú obmedzenia tohto prístupu. Takže v posledných desaťročiach boli vytvorené dve nové metódy na meranie expanzie vesmíru a Euclid využije obe.
Prvou metódou je pozrieť sa na rozloženie galaxií vo vesmíre. Astronómovia sa pozerajú na vzdialenosť ku galaxii a pozorujú jej červený posun (stupeň, v akom svetlo z tejto galaxie je posunutý na červený koniec spektra) a z toho môžu zistiť, ako rýchlo sa galaxia vzďaľuje od nás.
Druhým spôsobom je pozorovanie distribúcia tmavej hmoty. Vieme, že distribúcia bežnej hmoty nasleduje distribúciu tmavej hmoty a tam vonku je oveľa viac tmavej hmoty ako obyčajnej hmoty. Gravitačné účinky tmavej hmoty možno vidieť pomocou techniky nazývanej gravitačná šošovka, pri ktorej hmota tmavej hmoty ohýba svetlo okolo nej.
To je dôvod, prečo Euclid hľadá temnú hmotu aj temnú energiu – pretože učenie sa o jednom nás môže naučiť aj o druhom.
Neuveriteľná úroveň presnosti
Na zhromažďovanie druhov údajov potrebných na štúdium temnej energie a temnej hmoty sú nástroje koncepčne relatívne jednoduché. Euclid má dva primárne nástroje: infračervenú kameru/spektrometer a obrovskú optickú kameru.
Infračervený prístroj má rôzne filtre a mriežkové hranoly, ktoré mu umožňujú merať červený posun vzdialených galaxií, ktorý ukazuje, ako ďaleko sa od nás vzďaľujú. Optická kamera je mozaika 36 senzorov, ktoré poskytujú celkové rozlíšenie viac ako 600 megapixelov, čo vedie k mimoriadne ostrým snímkam, ako oveľa presnejšia verzia digitálneho fotoaparátu. A potom je tu samotný ďalekohľad s 1,2-metrovým zrkadlom.
Výzvou pri zostavovaní hardvéru je požadovaná neuveriteľne vysoká úroveň presnosti. Skreslenia, ktoré vedci hľadajú kvôli prítomnosti temnej hmoty a temnej energie, sú také malé že prístroje musia byť neuveriteľne citlivé, schopné zachytiť aj tie najmenšie výkyvy v údajoch. To však znamená, že akákoľvek zmena prostredia samotného teleskopu môže údaje zásadným spôsobom skresliť. Dokonca aj niečo také malé, ako je zapnutie elektroniky v rámci satelitu, bude viditeľné na údajoch.
„Ďalekohľad bol skonštruovaný tak, že je mimoriadne stabilný a poskytuje veľmi ostré snímky,“ povedal Laureijs. „A má veľmi veľké zorné pole. Ak dáte všetko dokopy – stabilné, ostré a veľké zorné pole – získate nemožný dizajn! Takže je to veľmi ťažké."
Jedným zo spôsobov, ako tím pristupuje k tomuto konštrukčnému problému, je umiestnenie teleskopu do vesmíru, kde bude oveľa viac stabilné prostredie a dokáže zachytiť snímky štyri až päťkrát ostrejšie ako najostrejšie snímky, z ktorých sa dá zachytiť Zem. Ale stále je tu problém slnečného svetla, pretože prispôsobenie satelitu vzhľadom na slnko zmení množstvo tepla, ktoré prijíma. Dokonca aj zmena o niekoľko miliwattov energie stačí na to, aby ju prístroje rozpoznali.
Najväčší problém, s ktorým musia dizajnéri teleskopov zápasiť, je expanzia. Keď sa materiály zahrejú, roztiahnu sa a dokonca aj malé kolísanie teploty by mohlo spôsobiť, že časti teleskopu napučiavajú a skresľujú údaje.
Výsledkom je, že väčšina komponentov Euclid je vyrobená z pozoruhodného materiálu nazývaného karbid kremíka. Táto keramika má extrémne nízky koeficient rozťažnosti, čo znamená, že sa veľmi málo rozťahuje, keď sa zahreje. A keďže sa používa v rámci nástrojov, ak sa rozšíri, robí to rovnomerným spôsobom. Dokonca aj rámy pre snímače sú vyrobené z karbidu kremíka, rovnako ako hlavné zrkadlo ďalekohľadu. Zrkadlo bolo vysoko leštené s toleranciou niekoľkých nanometrov, proces trval takmer rok.
Všetka táto starostlivosť znamená, že satelit je mimoriadne stabilný a bude schopný zachytiť ostré a presné snímky.
Ponúknuť niečo ľudstvu
Zatiaľ čo štúdium tmavej hmoty a temnej energie je väčšinou dôležité pre teoretickú fyziku, lov môže mať aj praktické dôsledky. Po prvé, hardvér, ktorý je navrhnutý pre projekty ako Euclid, a meracie techniky, ktoré sú vyvinuté, by sa dali použiť v celom rade rôznych oblastí. Po druhé, existuje bohaté množstvo údajov, ktoré Euclid bude zhromažďovať.
„S našimi údajmi meriame nielen temnú energiu a temnú hmotu, ale fotíme všetko, čo na týchto vlnových dĺžkach vidíme na oblohe,“ povedal Laureijs. „Takže je v tom oveľa viac astronómie. A to je tiež vzrušujúca časť, pretože ľudstvu, astronómom ponúkame niečo, čo je také nové. O osem rokov môžete prejsť na webovú stránku ESA a prejsť na akúkoľvek pozíciu na oblohe a vidieť, ako to vyzerá s obrovským rozlíšením v hĺbke pred 10 miliónmi rokov.“
V prvom rade je však hľadanie temnej hmoty a temnej energie o pochopení toho, ako náš vesmír funguje na tých najzákladnejších úroveň a odpoveď na otázku, ktorá je momentálne úplne mätúca: „To, čo vidíme okolo seba, je len 5 % toho, čo je v našom vesmíre. Zvyšných 95 % tvorí temná hmota a temná energia, niečo, čo len ťažko vieme vysvetliť,“ povedal Laureijs. "Toto je pre mňa základný dôvod, prečo robíme Euklides."
Práve táto zvláštna, nevysvetliteľná otázka, z čoho sa skladá vesmír, poháňa vedcov, inžinierov a astronómov, ktorí pracujú na temnej hmote. Pretože to, čo vidíme okolo seba, je len poškriabaním povrchu toho, čo existuje v neznámom prostredí.
