Evrendeki En Gizemli Madde olan Karanlık Maddenin İncelenmesi

Belki de şu anda astronomideki en büyük soru basit gibi görünen bir sorudur: Evren neyden yapılmıştır? Protonları, nötronları ve elektronları biliyoruz ve bu parçacıkların bir araya gelerek gözlemlediğimiz evreni yarattığını biliyoruz: Yıldızlar, gezegenler, kuyruklu yıldızlar ve kara delikler.

Ancak bunların hepsi mevcut olanın sadece küçük bir kısmı. Evrenimize bir bütün olarak baktığınızda, astronomların baryonik madde dediği sıradan madde azınlıktadır. Aslında evren, hiçbir zaman doğrudan tespit edemediğimiz iki gizemli şey olan karanlık madde ve karanlık enerjinin hakimiyetindedir.

Avrupa Uzay Ajansı (ESA) bu en tuhaf bulmacayı araştırmak için Öklid uzayını inşa ediyor Hem karanlık maddeyi hem de karanlık enerjiyi araştırmak için başlatılacak son teknoloji ürünü bir proje olan teleskop 2022'de.

Görünmez bir şeyi aramak için nasıl bir araç oluşturacağınız hakkında daha fazla bilgi edinmek için Euclid'in proje bilimcisi René Laureijs ile konuştuk.

Yalnızca efektleri görme

Hem karanlık madde hem de karanlık enerji teorik yapılardır; dolayısıyla, her ikisi de doğrudan tespit edilmemiş olsa da, onların var olduğuna inanmak için iyi nedenlerimiz var. Bunun yerine onların orada olması gerektiğini biliyoruz çünkü evren üzerindeki etkilerini görüyoruz.

Laureijs, "Karanlık madde yalnızca etkilerini görebileceğiniz bir şeydir" diye açıkladı. “Yani hareket eden bir şey görüyorsunuz ya da nesnelerin birbirini çektiğini görüyorsunuz ve buna neyin sebep olduğunu bilmiyorsunuz. Astronomide de nesnelerin birbirini çektiğini veya hareket ettiğini görüyoruz ve etrafta olup bitenlere bakarak bu hareketleri sıradan maddenin varlığıyla açıklayamayız.”

Bu çekim yalnızca çok büyük ölçeklerde, galaksi büyüklüğündeki nesnelere bakıldığında gerçekten fark edilebilir. İlk başta gökbilimciler, yerçekimi tanımında bir sorun olabileceğini ve bu yüzden astronomik ölçeklerde farklı göründüğünü düşündüler. Ancak artık büyük ölçüde bu etkilere neden olanın bir parçacık olduğuna ikna olmuş durumdalar, ancak parçacığın kendisini tespit etmek süregelen bir zorluk. “Bunu hiç görmedik ama madde gibi davranan ama görülemeyen bir şeye dair dolaylı kanıtlar görüyoruz. Laureijs, "Biz buna karanlık madde diyoruz" dedi.

Ve sonra karanlık enerji var. Evrenle ilgili beklenmeyen gözlemleri açıklamak için kullanılan bir yapı olması bakımından karanlık maddeye benzer. Ancak gökbilimciler bunun bir parçacıktan ziyade bir enerji türü olabileceğini düşünmeleri nedeniyle durum çok farklı. Evrenin genişlemesini açıklamak için kullanılır. Evrenin genişlediğini biliyoruz, ancak 1990'larda Hubble Uzay Teleskobu gibi yeni araçlarla yapılan gözlemler, genişleme hızının arttığını göstererek gökbilimcileri şok etti.

"Bu çok incelikli bir etki, ancak insanlar uzak galaksilere olan mesafeleri doğru bir şekilde ölçerek 20 yıl önce evrenin sadece genişlemediğini, aynı zamanda hızlanarak genişlediğini keşfetti.” Laureij'ler açıkladı. "Bu, galaksileri dışarı doğru iten fazladan bir enerjinin olduğu anlamına geliyor ve bu hızlanmanın evrenin yaşının yarısında, yani yaklaşık 6 milyar yıl önce başladığı ortaya çıkıyor. Bu gerçekten bir bilmece, bunun neden olduğu. Yani yerçekimine karşı etki eden, tüm galaksileri hızlanarak dışarı doğru iten ekstra bir kuvvet var ve biz buna karanlık enerji diyoruz.”

Karanlık madde ve karanlık enerjiyle ilgili gerçekten dikkat çekici olan şey, ne kadar yaygın olduklarıdır. Evrenin toplam enerji bileşeni göz önüne alındığında, mevcut tahminler Evrenin yaklaşık %68'inin karanlık enerji, %27'sinin ise karanlık madde olduğunu gösteriyor. Etrafımızda gördüğümüz tüm normal maddeler (her yıldız, her gezegen, her gaz molekülü) var olanın yalnızca %5'ini oluşturur.

Yani evrenin neredeyse hiç anlamadığımız %95'i var. Laureijs, "Bu, şu anda fizik ve astronomide sahip olduğumuz en büyük bilmece" dedi. "Bir gökbilimci olarak bu noktada olmak, bu sorun üzerinde çalışmak gerçekten harika."

Görünmeyen nasıl avlanır

Karanlık enerjiyi aramanın geleneksel yöntemi, süpernovaları gözlemleyerek evrenin genişlemesini ölçmek olmuştur. Uzak bir galakside bir süpernova patlarsa, ne kadar uzakta olduğunu tahmin etmek için yaydığı enerjiyi takip edebiliriz. bu yaklaşımın sınırlamaları. Böylece son yıllarda evrenin genişlemesini ölçmek için iki yeni yöntem tasarlandı ve Öklid her ikisinden de yararlanacak.

İlk yöntem galaksilerin evrendeki dağılımına bakmaktır. Gökbilimciler bir galaksinin uzaklığına bakarlar ve onun kırmızıya kaymasını (o galaksiden gelen ışığın yayılma derecesi) gözlemlerler. spektrumun kırmızı ucuna kaydırılır) ve bundan galaksinin bizden ne kadar hızlı uzaklaştığını hesaplayabilirler. biz.

İkinci yöntem gözlem yapmaktır. karanlık maddenin dağılımı. Sıradan maddenin dağılımının karanlık maddenin dağılımını takip ettiğini biliyoruz ve dışarıda sıradan maddeden çok daha fazla karanlık madde var. Karanlık maddenin kütleçekimsel etkileri, yerçekimsel mercekleme adı verilen ve karanlık maddenin kütlesinin etrafındaki ışığı büktüğü bir teknikle görülebilir.

Bu nedenle Öklid hem karanlık maddeyi hem de karanlık enerjiyi arıyor; çünkü birini öğrenmek bize diğerini de öğretebilir.

İnanılmaz düzeyde hassasiyet

Karanlık enerji ve karanlık maddeyi incelemek için gereken veri türlerini toplamak için kullanılan araçlar kavramsal olarak nispeten basittir. Öklid'in iki temel aracı vardır: Kızılötesi kamera/spektrometre ve dev bir optik kamera.

Kızılötesi cihaz, uzak galaksilerin bizden ne kadar uzaklaştıklarını gösteren kırmızıya kaymasını ölçmeye olanak tanıyan çeşitli filtrelere ve ızgara prizmalara sahiptir. Optik kamera, toplam 600 megapikselin üzerinde çözünürlük sağlayan 36 sensörden oluşan bir mozaiktir ve bu, dijital kameranın çok daha hassas bir versiyonu gibi son derece keskin görüntülerle sonuçlanır. Ve bir de 1,2 metrelik aynasıyla teleskobun kendisi var.

Donanımı oluşturmanın zorluğu, gereken inanılmaz derecede yüksek düzeyde hassasiyettir. Bilim adamlarının karanlık madde ve karanlık enerjinin varlığından dolayı aradıkları bozulmalar o kadar küçük ki enstrümanların son derece hassas olması, okumalardaki en küçük dalgalanmaları bile algılayabilmesi gerekiyor. Ancak bu, teleskobun ortamındaki herhangi bir değişikliğin verileri büyük ölçüde bozabileceği anlamına geliyor. Uydudaki elektroniklerin açılması kadar küçük bir şey bile, aldığı okumalarda fark edilecektir.

Laureijs, "Teleskop son derece sağlam ve çok keskin görüntüler verecek şekilde inşa edildi" dedi. "Ve çok geniş bir görüş alanı var. Her şeyi bir araya getirirseniz (sabit, keskin ve geniş görüş alanı) imkansız bir tasarım elde edersiniz! Bu yüzden çok zor."

Ekibin bu tasarım sorununa yaklaşmasının bir yolu, teleskobu çok daha uzakta olacağı uzaya yerleştirmektir. istikrarlı bir ortam sağlar ve yakalanabilecek en keskin görüntüden dört ila beş kat daha keskin görüntüler yakalayabilir. Toprak. Ancak uydunun güneşe göre ayarlanması uydunun aldığı ısı miktarını değiştireceğinden hala güneş ışığı sorunu var. Birkaç miliwattlık enerji değişimi bile cihazlar tarafından tespit edilmeye yeterlidir.

Teleskop tasarımcılarının uğraşması gereken en büyük sorun genişlemedir. Malzemeler ısındığında genişler ve sıcaklıktaki küçük bir dalgalanma bile teleskobun parçalarının şişmesine ve verilerde bozulmalara neden olabilir.

Sonuç olarak Öklid bileşenlerinin çoğu silisyum karbür adı verilen dikkate değer bir malzemeden yapılmıştır. Bu seramik son derece düşük bir genleşme katsayısına sahiptir, bu da ısındığında çok az genleştiği anlamına gelir. Ve enstrümanların tamamında kullanıldığı için genişlerse bunu eşit bir şekilde yapar. Teleskopun ana aynası gibi sensörlerin çerçeveleri bile silisyum karbürden yapılmıştır. Ayna, neredeyse bir yıl süren bir işlem olan birkaç nanometrelik toleransla son derece cilalandı.

Tüm bu bakım, uydunun son derece kararlı olduğu ve keskin, doğru görüntüler yakalayabileceği anlamına geliyor.

İnsanlığa bir şeyler sunmak

Karanlık madde ve karanlık enerjinin incelenmesi çoğunlukla teorik fizik açısından önemli olsa da, avın pratik sonuçları da olabilir. Öncelikle Euclid gibi projeler için tasarlanan donanımlar ve geliştirilen ölçüm teknikleri çok farklı alanlarda kullanılabiliyor. İkincisi, Euclid'in toplayacağı zengin veri zenginliği var.

Laureijs, "Verilerimizle yalnızca karanlık enerjiyi ve karanlık maddeyi ölçmekle kalmıyoruz, aynı zamanda gökyüzünde gördüğümüz her şeyin bu dalga boylarında fotoğraflarını çekiyoruz" dedi. “Yani burada çok daha fazla astronomi var. Bu da heyecan verici bir kısım çünkü insanlığa, gökbilimcilere çok yeni bir şey sunuyoruz. Bundan sekiz yıl sonra, ESA'nın web sitesine gidebilir, gökyüzündeki herhangi bir konuma gidebilir ve onun 10 milyon yıl önceki derinliğe kadar muazzam bir çözünürlükle nasıl göründüğünü görebilirsiniz."

Ancak öncelikle karanlık madde ve karanlık enerji arayışı, evrenimizin en temel düzeyde nasıl çalıştığını anlamakla ilgilidir. seviyede ve şu anda kafa karıştırıcı bir soruyu yanıtlıyor: “Etrafımızda gördüklerimiz, evrenimizde olanların yalnızca %5'idir. Diğer %95 ise karanlık madde ve karanlık enerjiden oluşuyor ve bu da pek açıklayamayacağımız bir şey" dedi Laureijs. “Benim için Öklid'i yapmamızın temel nedeni bu.”

Karanlık madde üzerinde çalışan bilim adamlarını, mühendisleri ve gökbilimcileri harekete geçiren şey, evrenin neyden oluştuğuna dair bu tuhaf, açıklanamaz sorudur. Çünkü etrafımızda gördüklerimiz, bilinmeyenin sadece yüzeyini çiziyor.