Studerar mörk materia, det mest mystiska ämnet i universum

Den kanske största frågan inom astronomi just nu är en som låter enkel: Vad är universum gjort av? Vi känner till protoner, neutroner och elektroner, och vi vet att dessa partiklar kombineras för att skapa universum vi observerar: stjärnor, planeter, kometer och svarta hål.

Men allt detta är bara en liten bråkdel av vad som finns. Vanlig materia, det som astronomer kallar baryonisk materia, är i minoritet när man ser på vårt universum som helhet. Universum domineras i själva verket av mörk materia och mörk energi, två mystiska saker som vi aldrig har upptäckt direkt.

För att undersöka detta märkligaste pussel bygger Europeiska rymdorganisationen (ESA) Euklidrymden teleskop, ett banbrytande projekt för att undersöka både mörk materia och mörk energi som kommer att lanseras år 2022.

För att lära dig mer om hur du bygger ett verktyg för att söka efter något osynligt pratade vi med René Laureijs, projektforskare för Euclid.

Ser bara effekterna

Både mörk materia och mörk energi är teoretiska konstruktioner, eftersom vi har goda skäl att tro att de existerar, även om ingen av dem har upptäckts direkt. Istället vet vi att de måste vara där eftersom vi ser deras effekter på universum.

"Mörk materia är något du bara ser effekterna av," förklarade Laureijs. "Så du ser något som rör sig, eller saker som attraherar varandra, och du vet inte vad som orsakar det. Vi ser det också inom astronomi att saker attraheras eller saker rör sig, och genom att titta på vad som händer runt omkring kan vi inte förklara dessa rörelser med närvaron av vanlig materia."

Denna attraktion är bara märkbar på mycket stora skalor, när man tittar på objekt som är lika stora som galaxer. Först trodde astronomer att det kanske var något fel med deras beskrivning av gravitationen, och det var därför det såg annorlunda ut på astronomiska skalor. Men de är nu till stor del övertygade om att det är en partikel som orsakar dessa effekter, även om det är en pågående utmaning att upptäcka själva partikeln. "Vi har aldrig sett det, men vi ser indirekta bevis för något som beter sig som materia men inte kan ses. Och det är vad vi kallar mörk materia, sa Laureijs.

Och så finns det mörk energi. Det liknar mörk materia genom att det är en konstruktion som används för att förklara oväntade observationer om universum. Men det är väldigt annorlunda genom att astronomer tror att det kan vara en form av energi snarare än en partikel. Det används för att förklara universums expansion. Vi vet att universum expanderar, men observationer på 1990-talet från nya verktyg som rymdteleskopet Hubble chockade astronomer genom att visa att expansionshastigheten accelererade.

"Det är en mycket subtil effekt, men genom att noggrant mäta avstånden till avlägsna galaxer har människor upptäckte för 20 år sedan att universum inte bara expanderar, utan expanderar på ett accelererat sätt." Laureijs förklarade. "Det betyder att det finns en extra energi som trycker ut galaxerna, och det visar sig att denna acceleration började halvvägs genom universums ålder, för ungefär 6 miljarder år sedan. Det är verkligen ett pussel, varför det hände. Så det finns en extra kraft som verkar mot gravitationen och driver alla galaxer utåt på ett accelererande sätt, och det är vad vi kallar mörk energi."

Det som verkligen är anmärkningsvärt med mörk materia och mörk energi är hur vanliga de är. När man överväger universums totala energikomponent, nuvarande uppskattningar visar att cirka 68% av universum är mörk energi, medan 27% är mörk materia. All normal materia vi ser omkring oss – varje stjärna, varje planet, varje gasmolekyl – utgör bara 5 % av allt som finns.

Så det finns 95% av universum som vi knappt förstår alls. "Detta är det största pussel vi har för tillfället inom fysik och astronomi," sa Laureijs. "Som astronom är det verkligen fantastiskt att vara vid denna tidpunkt, att arbeta med det här problemet."

Hur man jagar det osynliga

Den traditionella metoden för att söka efter mörk energi har varit att mäta universums expansion genom att observera supernovor. Om en supernova exploderar i en avlägsen galax kan vi spåra energin den avger för att uppskatta hur långt bort den är – men det finns begränsningar för detta tillvägagångssätt. Så under de senaste decennierna har två nya metoder för att mäta universums expansion skapats, och Euklid kommer att använda sig av båda.

Den första metoden är att titta på fördelningen av galaxer över universum. Astronomer tittar på avståndet till en galax och observerar dess rödförskjutning (i vilken grad ljuset från den galaxen förskjuts till den röda änden av spektrumet), och utifrån detta kan de räkna ut hur snabbt galaxen rör sig bort från oss.

Den andra metoden är att observera fördelning av mörk materia. Vi vet att distributionen av vanlig materia följer distributionen av mörk materia, och det finns mycket mer mörk materia än vanlig materia där ute. Gravitationseffekterna av mörk materia kan ses genom en teknik som kallas gravitationslinsning, där massan av mörk materia böjer ljus runt den.

Det är därför Euklids söker efter både mörk materia och mörk energi – för att lära oss om den ena kan också lära oss om den andra.

En otrolig nivå av precision

För att samla in den typ av data som krävs för att studera mörk energi och mörk materia är verktygen begreppsmässigt relativt enkla. Euclid har två primära instrument: en infraröd kamera/spektrometer och en gigantisk optisk kamera.

Det infraröda instrumentet har olika filter och gitterprismor som gör att det kan mäta rödförskjutningen av avlägsna galaxer, vilket visar hur långt de rör sig bort från oss. Den optiska kameran är en mosaik av 36 sensorer som ger en total upplösning på över 600 megapixlar, vilket resulterar i extremt skarpa bilder, som en mycket mer exakt version av en digitalkamera. Och så är det själva teleskopet med sin 1,2 meter långa spegel.

Utmaningen med att bygga hårdvaran är den otroligt höga precisionsnivån som krävs. De snedvridningar som forskarna letar efter på grund av närvaron av mörk materia och mörk energi är så små att instrumenten måste vara otroligt känsliga, kunna ta upp även de minsta fluktuationer i avläsningarna. Men det betyder att varje förändring av miljön för själva teleskopet kan förvränga data på ett stort sätt. Även något så litet som att slå på elektroniken i satelliten kommer att märkas i avläsningarna den tar.

"Teleskopet har byggts på ett sådant sätt att det är extremt stabilt och ger mycket skarpa bilder," sa Laureijs. "Och den har ett väldigt stort synfält. Om du sätter ihop allt – stabilt, skarpt och stort synfält – får du en omöjlig design! Så det är väldigt svårt."

Ett sätt som teamet närmar sig detta designproblem är genom att placera teleskopet i rymden, där det kommer att vara i en mycket mer stabil miljö och kan ta bilder fyra till fem gånger skarpare än den skarpaste bilden som kunde tas från Jorden. Men det finns fortfarande problemet med solljus, eftersom justering av satelliten i förhållande till solen kommer att förändra hur mycket värme den tar emot. Även en förändring på några milliwatt energi räcker för att detekteras av instrumenten.

Det största problemet som teleskopdesigners har att brottas med är expansion. När material blir varma expanderar de, och även en liten fluktuation i temperaturen kan få delar av teleskopet att svälla och introducera förvrängningar i data.

Som ett resultat är de flesta av Euklidkomponenterna byggda av ett anmärkningsvärt material som kallas kiselkarbid. Denna keramik har en extremt låg expansionskoefficient, vilket gör att den expanderar väldigt lite när den blir varm. Och eftersom det används i alla instrument, om det expanderar, gör det det på ett jämnt sätt. Även ramarna för sensorerna är gjorda av kiselkarbid, liksom huvudspegeln till teleskopet. Spegeln har polerats till en tolerans på några nanometer, en process som tog nästan ett år.

All denna omsorg gör att satelliten är extremt stabil och kommer att kunna ta skarpa, exakta bilder.

Att erbjuda något till mänskligheten

Medan studiet av mörk materia och mörk energi är mestadels av betydelse för teoretisk fysik, kan jakten också ha praktiska konsekvenser. För det första kan hårdvaran som är designad för projekt som Euclid och de mättekniker som utvecklas användas inom en hel rad olika områden. För det andra finns det den rika mängden data som Euclid kommer att samla in.

"Med våra data mäter vi inte bara mörk energi och mörk materia, utan vi tar bilder av allt vi ser på himlen på dessa våglängder," sa Laureijs. "Så det finns mycket mer astronomi i det. Och det är också en spännande del, eftersom vi erbjuder något till mänskligheten, till astronomer som är så nytt. Om åtta år kan du gå till ESA: s webbplats och gå till vilken position som helst på himlen och se hur det ser ut, med enorm upplösning, till ett djup av 10 miljoner år sedan.”

Men i första hand handlar sökandet efter mörk materia och mörk energi om att förstå hur vårt universum fungerar på det mest grundläggande nivå, och svara på en fråga som är helt förbryllande just nu: "Det vi ser omkring oss är bara 5% av vad som finns i vårt universum. De andra 95 % är mörk materia och mörk energi, något vi knappast kan förklara, säger Laureijs. "Detta är för mig den grundläggande anledningen till att vi gör Euklid."

Det är denna märkliga, oförlåtliga fråga om vad universum består av som driver forskare, ingenjörer och astronomer som arbetar med mörk materia. För det vi ser omkring oss skrapar bara på ytan av det som finns ute i det okända.