Preučevanje temne snovi, najbolj skrivnostne snovi v vesolju

Morda je trenutno največje vprašanje v astronomiji tisto, ki zveni preprosto: iz česa je sestavljeno vesolje? Poznamo protone, nevtrone in elektrone in vemo, da se ti delci združijo, da ustvarijo vesolje, ki ga opazujemo: zvezde, planete, komete in črne luknje.

A vse to je le majhen delček tega, kar obstaja. Navadna snov, čemur astronomi pravijo barionska snov, je v manjšini, če pogledamo naše vesolje kot celoto. V vesolju dejansko prevladujeta temna snov in temna energija, dve skrivnostni stvari, ki ju nismo nikoli neposredno zaznali.

Da bi raziskala to najbolj nenavadno uganko, Evropska vesoljska agencija (ESA) gradi Evklidov prostor teleskop, vrhunski projekt za raziskovanje temne snovi in ​​temne energije, ki bo lansiran leta 2022.

Če želite izvedeti več o tem, kako ustvarite orodje za iskanje nečesa nevidnega, smo se pogovarjali z Renéjem Laureijsom, projektnim znanstvenikom za Euclid.

Videti samo učinke

Tako temna snov kot temna energija sta teoretični konstrukti, saj imamo dober razlog, da verjamemo, da obstajata, čeprav nobena ni bila nikoli neposredno zaznana. Namesto tega vemo, da morajo biti tam, ker vidimo njihove učinke na vesolje.

"Temna snov je nekaj, česar vidite le učinke," je pojasnil Laureijs. »Torej vidite, da se nekaj premika ali stvari privlačijo druga drugo, pa ne veste, kaj je vzrok za to. Tudi v astronomiji vidimo, da se stvari privlačijo ali da se stvari premikajo, in če pogledamo, kaj se dogaja okoli, teh gibanj ne moremo razložiti s prisotnostjo običajne snovi.«

Ta privlačnost je res opazna le v zelo velikih merilih, ko gledamo predmete velikosti galaksij. Astronomi so sprva mislili, da je morda nekaj narobe z njihovim opisom gravitacije in je zato na astronomskih lestvicah videti drugače. Toda zdaj so večinoma prepričani, da te učinke povzroča delec, čeprav je odkrivanje samega delca stalen izziv. »Nikoli ga nismo videli, vendar vidimo posredne dokaze za nekaj, kar se obnaša kot snov, vendar tega ni mogoče videti. In temu pravimo temna snov,« je dejal Laureijs.

In potem je tu še temna energija. Podobna je temni snovi, saj je konstrukt, ki se uporablja za razlago nepričakovanih opazovanj o vesolju. Vendar je zelo drugačen v tem, da astronomi menijo, da je morda oblika energije, ne pa delec. Uporablja se za razlago širjenja vesolja. Vemo, da se vesolje širi, vendar so opazovanja v devetdesetih letih prejšnjega stoletja z novimi orodji, kot je vesoljski teleskop Hubble, šokirala astronome, saj so pokazala, da se hitrost širjenja pospešuje.

»Gre za zelo subtilen učinek, toda z natančnim merjenjem razdalj do oddaljenih galaksij imajo ljudje pred 20 leti odkrili, da se vesolje ne samo širi, ampak se širi na pospešen način.« Laureijs pojasnil. »To pomeni, da obstaja dodatna energija, ki potiska galaksije ven, in izkazalo se je, da se je to pospeševanje začelo na polovici starosti vesolja, pred približno 6 milijardami let. To je res uganka, zakaj se je to zgodilo. Torej obstaja dodatna sila, ki deluje proti gravitaciji, potiska vse galaksije navzven na pospešen način, in temu pravimo temna energija.«

Kar je res izjemno pri temni snovi in ​​temni energiji, je, kako razširjeni sta. Če upoštevamo celotno energijsko komponento vesolja, trenutne ocene kažejo, da je okoli 68 % vesolja temna energija, medtem ko je 27 % temna snov. Vsa običajna snov, ki jo vidimo okoli sebe – vsaka zvezda, vsak planet, vsaka molekula plina – predstavlja samo 5 % vsega, kar obstaja.

Torej obstaja 95 % vesolja, ki ga komajda sploh razumemo. "To je trenutno največja uganka v fiziki in astronomiji," je dejal Laureijs. "Kot astronom je res super biti v tem trenutku in delati na tem problemu."

Kako loviti nevidne

Tradicionalna metoda iskanja temne energije je bila merjenje širjenja vesolja z opazovanjem supernov. Če supernova eksplodira v oddaljeni galaksiji, lahko sledimo energiji, ki jo oddaja, da ocenimo, kako daleč je - vendar obstajajo omejitve tega pristopa. Tako sta bili v zadnjih desetletjih zasnovani dve novi metodi za merjenje širjenja vesolja in Evklid bo uporabil obe.

Prva metoda je pogled na porazdelitev galaksij po vesolju. Astronomi opazujejo razdaljo do galaksije in opazujejo njen rdeči premik (stopnjo, do katere svetloba iz te galaksije premaknjena na rdeči del spektra), iz tega pa lahko ugotovijo, kako hitro se galaksija oddaljuje od nas.

Druga metoda je opazovanje porazdelitev temne snovi. Vemo, da porazdelitev navadne snovi sledi porazdelitvi temne snovi in ​​tam zunaj je veliko več temne snovi kot običajne snovi. Gravitacijske učinke temne snovi je mogoče videti s tehniko, imenovano gravitacijska leča, pri kateri masa temne snovi upogiba svetlobo okoli sebe.

Zato Evklid išče tako temno snov kot temno energijo – ker nas učenje o eni lahko nauči tudi o drugi.

Neverjetna stopnja natančnosti

Za zbiranje vrst podatkov, potrebnih za preučevanje temne energije in temne snovi, so orodja konceptualno relativno preprosta. Evklid ima dva glavna instrumenta: infrardečo kamero/spektrometer in velikansko optično kamero.

Infrardeči instrument ima različne filtre in rešetkaste prizme, ki mu omogočajo merjenje rdečega premika oddaljenih galaksij, kar kaže, kako daleč se od nas oddaljujejo. Optična kamera je mozaik 36 senzorjev, ki dajejo skupno ločljivost preko 600 megapikslov, kar ima za posledico izjemno ostre slike, kot veliko bolj natančna različica digitalnega fotoaparata. In potem je tu še sam teleskop z 1,2-metrskim ogledalom.

Izziv gradnje strojne opreme je zahtevana neverjetno visoka stopnja natančnosti. Izkrivljanja, ki jih znanstveniki iščejo zaradi prisotnosti temne snovi in ​​temne energije, so tako majhna da morajo biti instrumenti neverjetno občutljivi, sposobni zaznati tudi najmanjša nihanja v odčitkih. Toda to pomeni, da lahko vsaka sprememba okolja samega teleskopa močno popači podatke. Celo nekaj tako majhnega, kot je vklop elektronike v satelitu, bo opazno v odčitkih, ki jih sprejme.

"Teleskop je bil zgrajen tako, da je izjemno stabilen in daje zelo ostre slike," je dejal Laureijs. »In ima zelo veliko vidno polje. Če sestaviš vse skupaj – stabilno, ostro in veliko vidno polje – dobiš nemogoč dizajn! Zato je zelo težko.”

Eden od načinov, kako se ekipa loti tega oblikovalskega problema, je, da teleskop postavi v vesolje, kjer bo v veliko bolj stabilno okolje in lahko zajame štiri- do petkrat ostrejše slike od najostrejše slike, iz katere bi jo lahko posneli Zemlja. Še vedno pa obstaja problem sončne svetlobe, saj bo prilagoditev satelita glede na sonce spremenila količino toplote, ki jo prejme. Že sprememba nekaj milivatov energije je dovolj, da jo zaznajo instrumenti.

Največja težava, s katero se morajo soočiti oblikovalci teleskopov, je širitev. Ko se materiali segrejejo, se razširijo in že majhno nihanje temperature lahko povzroči napihnjenost delov teleskopa in povzroči popačenje podatkov.

Posledično je večina komponent Euclid zgrajena iz izjemnega materiala, imenovanega silicijev karbid. Ta keramika ima izredno nizek koeficient raztezanja, kar pomeni, da se zelo malo razširi, ko se segreje. In ker se uporablja v vseh inštrumentih, če se razširi, se to zgodi enakomerno. Tudi okvirji za senzorje so narejeni iz silicijevega karbida, tako kot glavno ogledalo za teleskop. Zrcalo je bilo visoko polirano do tolerance nekaj nanometrov, proces, ki je trajal skoraj eno leto.

Vsa ta skrb pomeni, da je satelit izjemno stabilen in bo lahko zajemal ostre in natančne slike.

Ponuditi nekaj človeštvu

Medtem ko je preučevanje temne snovi in ​​temne energije večinoma pomembno za teoretično fiziko, ima lahko lov tudi praktične posledice. Prvič, strojno opremo, ki je zasnovana za projekte, kot je Euclid, in razvite merilne tehnike bi lahko uporabili na številnih različnih področjih. Drugič, tu je bogato bogastvo podatkov, ki jih bo zbral Euclid.

"Z našimi podatki ne merimo samo temne energije in temne snovi, ampak posnamemo slike vsega, kar vidimo na nebu na teh valovnih dolžinah," je dejal Laureijs. »Torej je v njem veliko več astronomije. In to je tudi vznemirljiv del, saj človeštvu, astronomom ponujamo nekaj tako novega. Čez osem let lahko obiščete spletno stran ESA in se odpravite na kateri koli položaj na nebu ter si ogledate, kako je videti, z ogromno ločljivostjo, do globine pred 10 milijoni let.«

Pri iskanju temne snovi in ​​temne energije gre predvsem za razumevanje, kako naše vesolje deluje na najbolj temeljnih ravni in odgovor na vprašanje, ki je trenutno popolnoma begajoče: »Kar vidimo okoli sebe, je le 5 % tega, kar je v našem vesolju. Ostalih 95 % je temna snov in temna energija, česar težko razložimo,« je dejal Laureijs. "To je zame temeljni razlog, da delamo Euclid."

To nenavadno, nepopravljivo vprašanje, iz česa je sestavljeno vesolje, žene znanstvenike, inženirje in astronome, ki delajo na temni snovi. Ker to, kar vidimo okoli sebe, je le praskanje po površini tega, kar obstaja v neznanem.