Проучавање тамне материје, најмистериозније супстанце у универзуму

Можда је тренутно највеће питање у астрономији оно које звучи једноставно: од чега је направљен универзум? Знамо за протоне, неутроне и електроне, и знамо да се ове честице комбинују да би створиле универзум који посматрамо: звезде, планете, комете и црне рупе.

Али све ово је само мали делић онога што постоји. Обична материја, оно што астрономи називају барионском материјом, је у мањини када посматрате наш универзум у целини. Универзумом у ствари доминирају тамна материја и тамна енергија, две мистериозне ствари које никада нисмо директно открили.

Да би испитала ову најчуднију загонетку, Европска свемирска агенција (ЕСА) гради Еуклидов простор телескоп, најсавременији пројекат за истраживање тамне материје и тамне енергије који ће бити покренут у 2022.

Да бисмо сазнали више о томе како правите алат за тражење нечега невидљивог, разговарали смо са Рене Лауреијсом, научником на пројекту за Еуцлид.

Видети само ефекте

И тамна материја и тамна енергија су теоретски конструкти, јер имамо добар разлог да верујемо да постоје, иако ниједно никада није директно откривено. Уместо тога, знамо да морају бити тамо јер видимо њихове ефекте на универзум.

„Тамна материја је нешто што видите само ефекте“, објаснио је Лауреијс. „Дакле, видите да се нешто креће или ствари привлаче једна другу, а не знате шта је узрок. Такође у астрономији видимо да се ствари привлаче или да се ствари крећу, а гледајући шта се дешава около, не можемо објаснити та кретања присуством обичне материје.

Ова привлачност је заиста приметна само у веома великим размерама, гледајући објекте величине галаксија. Астрономи су у почетку помислили да можда нешто није у реду са њиховим описом гравитације, па је због тога изгледало другачије на астрономским скалама. Али они су сада у великој мери уверени да је честица која изазива ове ефекте, иако је откривање саме честице стални изазов. „Никада то нисмо видели, али видимо индиректне доказе за нешто што се понаша као материја, али се не може видети. И то је оно што називамо тамном материјом", рекао је Лауреијс.

А онда постоји тамна енергија. Слично је тамној материји по томе што је конструкт који се користи да објасни неочекивана запажања о универзуму. Али је веома различито по томе што астрономи мисле да би то могао бити облик енергије, а не честица. Користи се за објашњење ширења универзума. Знамо да се универзум шири, али запажања из 1990-их из нових алата као што је Хабл свемирски телескоп шокирала су астрономе показујући да се брзина ширења убрзала.

„То је веома суптилан ефекат, али прецизним мерењем удаљености до удаљених галаксија, људи имају открио пре 20 година да се универзум не само шири, већ и убрзано. Лауреијс објаснио. „То значи да постоји додатна енергија која гура галаксије напоље, и испоставило се да је ово убрзање почело на половини старости универзума, пре око 6 милијарди година. То је заиста загонетка, зашто се то догодило. Дакле, постоји додатна сила која делује против гравитације, гурајући све галаксије напоље на убрзавајући начин, а то је оно што називамо тамном енергијом.

Оно што је заиста изванредно у вези са тамном материјом и тамном енергијом је колико су оне распрострањене. Када се разматра укупна енергетска компонента универзума, тренутне процене показују да је око 68% универзума тамна енергија, док је 27% тамна материја. Сва нормална материја коју видимо око себе – свака звезда, свака планета, сваки молекул гаса – чини само 5% свега што постоји.

Дакле, постоји 95% универзума који ми једва разумемо. „Ово је највећа загонетка коју имамо у овом тренутку у физици и астрономији“, рекао је Лауреијс. „Као астроном, заиста је сјајно бити у овом тренутку, радити на овом проблему.

Како ловити невидљиве

Традиционални метод за тражење тамне енергије био је мерење ширења универзума посматрањем супернова. Ако супернова експлодира у удаљеној галаксији, можемо пратити енергију коју она даје да бисмо проценили колико је удаљена - али постоје ограничења овог приступа. Тако су последњих деценија осмишљене две нове методе за мерење ширења универзума, а Еуклид ће користити обе.

Први метод је посматрање дистрибуције галаксија широм универзума. Астрономи посматрају удаљеност до галаксије и посматрају њен црвени помак (степен до којег светлост из те галаксије се помера на црвени крај спектра) и из овога могу да утврде колико се брзо галаксија удаљава од нас.

Други метод је посматрање расподела тамне материје. Знамо да дистрибуција обичне материје прати дистрибуцију тамне материје, а тамо је много више тамне него обичне материје. Гравитациони ефекти тамне материје могу се видети кроз технику која се зове гравитационо сочиво, у којој маса тамне материје савија светлост око себе.

Због тога Еуклид тражи и тамну материју и тамну енергију – јер учење о једном може нас научити и о другом.

Невероватан ниво прецизности

Да би се прикупиле врсте података потребних за проучавање тамне енергије и тамне материје, алати су концептуално релативно једноставни. Еуклид има два основна инструмента: инфрацрвену камеру/спектрометар и огромну оптичку камеру.

Инфрацрвени инструмент има различите филтере и решеткасте призме које му омогућавају да мери црвени помак удаљених галаксија, што показује колико се оне удаљују од нас. Оптичка камера је мозаик од 36 сензора који дају укупну резолуцију од преко 600 мегапиксела, што резултира изузетно оштрим сликама, попут много прецизније верзије дигиталног фотоапарата. А ту је и сам телескоп са својим огледалом од 1,2 метра.

Изазов изградње хардвера је невероватно висок ниво захтеване прецизности. Дисторзије које научници траже због присуства тамне материје и тамне енергије су тако мале да инструменти морају бити невероватно осетљиви, способни да приме и најситније флуктуације у очитавању. Али то значи да свака промена у окружењу самог телескопа може значајно искривити податке. Чак и нешто тако мало као што је укључивање електронике унутар сателита биће приметно у очитањима која су потребна.

„Телескоп је направљен на такав начин да је изузетно стабилан и даје веома оштре слике“, рекао је Лаурејс. „И има веома велико видно поље. Ако све спојите – стабилно, оштро и велико видно поље – добијате немогућ дизајн! Тако да је веома тешко.”

Један од начина на који тим приступа овом дизајнерском проблему је постављање телескопа у свемир, где ће бити у далеко већој стабилно окружење и може да снима слике четири до пет пута оштрије од најоштрије слике са које се може снимити Земља. Али још увек постоји проблем сунчеве светлости, јер ће подешавање сателита у односу на сунце променити количину топлоте коју прима. Чак је и промена од неколико миливата енергије довољна да је инструменти детектују.

Највећи проблем са којим се дизајнери телескопа морају борити је експанзија. Када се материјали загреју, они се шире, па чак и мала флуктуација температуре може проузроковати да делови телескопа набубре и унесу изобличења у податке.

Као резултат тога, већина компоненти Еуклида је направљена од изузетног материјала који се зове силицијум карбид. Ова керамика има изузетно низак коефицијент експанзије, што значи да се врло мало шири када се загреје. И пошто се користи у свим инструментима, ако се прошири, чини то на равномеран начин. Чак су и оквири за сензоре направљени од силицијум карбида, као и главно огледало за телескоп. Огледало је високо полирано до толеранције од неколико нанометара, што је процес који је трајао скоро годину дана.

Сва ова брига значи да је сателит изузетно стабилан и да ће моћи да снима оштре, тачне слике.

Нудећи нешто човечанству

Док је проучавање тамне материје и тамне енергије углавном од значаја за теоријску физику, лов може имати и практичне импликације. Прво, хардвер који је дизајниран за пројекте као што је Еуцлид и развијене мерне технике могу се користити у читавом низу различитих области. Друго, постоји богато богатство података које ће Еуклид прикупити.

„Са нашим подацима не само да меримо тамну енергију и тамну материју, већ снимамо све што видимо на небу на тим таласним дужинама“, рекао је Лаурејс. „Дакле, у томе има много више астрономије. И то је такође узбудљив део, јер нудимо нешто човечанству, астрономима што је тако ново. Осам година од сада, можете отићи на веб локацију ЕСА и отићи на било коју позицију на небу и видети како изгледа, са огромном резолуцијом, до дубине од пре 10 милиона година.

Првенствено, међутим, потрага за тамном материјом и тамном енергијом се односи на разумевање како наш универзум функционише на најосновнијим нивоу, и одговор на питање које је тренутно потпуно збуњујуће: „Оно што видимо око себе је само 5% онога што постоји у нашем универзуму. Осталих 95% су тамна материја и тамна енергија, нешто што тешко можемо објаснити“, рекао је Лаурејс. „Ово је, за мене, основни разлог зашто радимо Еуклида.

Управо ово чудно, непоправљиво питање од чега се састоји свемир покреће научнике, инжењере и астрономе који раде на тамној материји. Јер оно што видимо око себе само је гребање по површини онога што постоји у непознатом.