Вивчення темної матерії, найзагадковішої речовини у Всесвіті

Мабуть, найбільше запитання в астрономії зараз звучить просто: з чого складається Всесвіт? Ми знаємо про протони, нейтрони та електрони, і ми знаємо, що ці частинки поєднуються, щоб створити Всесвіт, який ми спостерігаємо: зірки, планети, комети та чорні діри.

Але все це лише мала частка того, що існує. Звичайна матерія, яку астрономи називають баріонною матерією, знаходиться в меншості, якщо подивитися на наш Всесвіт у цілому. Насправді у Всесвіті домінують темна матерія та темна енергія, дві таємничі речі, які ми ніколи не виявляли безпосередньо.

Щоб дослідити цю найдивнішу головоломку, Європейське космічне агентство (ESA) будує космос Евкліда телескоп, передовий проект для дослідження як темної матерії, так і темної енергії, який буде запущено у 2022 році.

Щоб дізнатися більше про те, як створити інструмент для пошуку чогось невидимого, ми поговорили з Рене Лорейсом, науковим співробітником проекту Euclid.

Бачити лише ефекти

І темна матерія, і темна енергія є теоретичними побудовами, тому у нас є вагомі підстави вважати, що вони існують, навіть якщо жодна з них ніколи не була виявлена ​​безпосередньо. Натомість ми знаємо, що вони повинні бути там, оскільки бачимо їхній вплив на Всесвіт.

«Темна матерія — це те, від чого ви бачите лише наслідки», — пояснив Лаурейс. «Тож ви бачите, як щось рухається або речі притягують одне одного, і ви не знаєте, що це спричиняє. В астрономії ми також бачимо, що речі притягуються або рухаються, і, дивлячись на те, що відбувається навколо, ми не можемо пояснити ці рухи наявністю звичайної матерії».

Це тяжіння дійсно помітно лише у дуже великих масштабах, дивлячись на об’єкти розміром з галактики. Спочатку астрономи подумали, що, можливо, щось не так з їхнім описом гравітації, і тому вона виглядає інакше в астрономічних масштабах. Але тепер вони в основному переконані, що ці ефекти спричиняє частинка, хоча виявлення самої частинки є постійною проблемою. «Ми ніколи цього не бачили, але ми бачимо непрямі докази чогось, що поводиться як матерія, але не видно. І це те, що ми називаємо темною матерією», — сказав Лаурейс.

А ще є темна енергія. Це схоже на темну матерію тим, що це конструкція, яка використовується для пояснення несподіваних спостережень про Всесвіт. Але він дуже відрізняється тим, що астрономи вважають, що це може бути вид енергії, а не частка. Його використовують для пояснення розширення Всесвіту. Ми знаємо, що Всесвіт розширюється, але спостереження в 1990-х роках за допомогою нових інструментів, таких як космічний телескоп Хаббла, шокували астрономів, показавши, що швидкість розширення прискорюється.

«Це дуже тонкий ефект, але, точно вимірюючи відстані до далеких галактик, люди мають 20 років тому виявив, що Всесвіт не тільки розширюється, але розширюється прискореним шляхом». Laureijs пояснив. «Це означає, що є додаткова енергія, яка виштовхує галактики, і виявляється, що це прискорення почалося в середині віку Всесвіту, приблизно 6 мільярдів років тому. Це дійсно головоломка, чому так сталося. Отже, існує додаткова сила, яка протидіє гравітації, штовхаючи всі галактики назовні прискореним способом, і це те, що ми називаємо темною енергією».

Що дійсно примітно в темній матерії та темній енергії, так це те, наскільки вони поширені. Розглядаючи загальну енергетичну складову Всесвіту, поточні оцінки показують, що близько 68% Всесвіту становить темна енергія, а 27% - темна матерія. Уся звичайна матерія, яку ми бачимо навколо – кожна зірка, кожна планета, кожна молекула газу – становить лише 5% усього, що існує.

Отже, є 95% Всесвіту, який ми взагалі ледве розуміємо. «Це найбільша загадка, яку ми маємо на даний момент у фізиці та астрономії», — сказав Лаурейс. «Як астроному, це справді чудово бути в цей момент часу, працювати над цією проблемою».

Як полювати на невидимку

Традиційним методом пошуку темної енергії було вимірювання розширення Всесвіту шляхом спостереження наднових. Якщо наднова вибухає у далекій галактиці, ми можемо відстежити енергію, яку вона виділяє, щоб оцінити, наскільки далеко вона знаходиться, але є обмеження цього підходу. Тож за останні десятиліття було розроблено два нові методи вимірювання розширення Всесвіту, і Евклід використовуватиме обидва.

Перший метод полягає в тому, щоб подивитися на розподіл галактик у Всесвіті. Астрономи дивляться на відстань до галактики та спостерігають її червоне зміщення (ступінь, до якої світло від цієї галактики зсувається до червоного кінця спектра), і з цього вони можуть визначити, як швидко галактика віддаляється від нас.

Другий спосіб полягає в спостереженні розподіл темної матерії. Ми знаємо, що розподіл звичайної матерії відповідає розподілу темної матерії, а темної матерії набагато більше, ніж звичайної. Гравітаційні ефекти темної матерії можна побачити за допомогою техніки, яка називається гравітаційним лінзуванням, за якої маса темної матерії огинає світло навколо себе.

Ось чому Евклід шукає як темну матерію, так і темну енергію – тому що, дізнавшись про одне, ми також можемо навчитися про інше.

Неймовірний рівень точності

Для збору даних, необхідних для вивчення темної енергії та темної матерії, інструменти концептуально відносно прості. У Евкліда є два основні інструменти: інфрачервона камера/спектрометр і гігантська оптична камера.

Інфрачервоний прилад має різноманітні фільтри та гратчасті призми, які дозволяють йому вимірювати червоне зміщення далеких галактик, яке показує, як далеко вони віддаляються від нас. Оптична камера — це мозаїка з 36 датчиків, які забезпечують загальну роздільну здатність понад 600 мегапікселів, що забезпечує надзвичайно чіткі зображення, як у набагато точнішій версії цифрової камери. А ще є сам телескоп із його 1,2-метровим дзеркалом.

Проблема створення апаратного забезпечення полягає в неймовірно високому рівні необхідної точності. Спотворення, які вчені шукають через наявність темної матерії та темної енергії, настільки малі що прилади мають бути неймовірно чутливими, здатними вловлювати навіть найменші коливання показань. Але це означає, що будь-яка зміна середовища самого телескопа може значною мірою спотворити дані. Навіть така маленька річ, як увімкнення електроніки на супутнику, буде помітна в показаннях, які він знімає.

«Телескоп був побудований таким чином, що він надзвичайно стабільний і дає дуже чіткі зображення», — сказав Лаурейс. «І він має дуже велике поле зору. Якщо зібрати все разом — стабільний, різкий і велике поле зору — ви отримаєте неможливий дизайн! Тому це дуже важко».

Один із способів, яким команда підійде до вирішення цієї проблеми дизайну, це помістити телескоп у космос, де він буде знаходитися в набагато більшій стабільне середовище та може створювати зображення в чотири-п’ять разів чіткіші, ніж найрізкіші зображення, з яких можна було б отримати земля. Але все ще існує проблема сонячного світла, оскільки регулювання супутника відносно сонця змінить кількість тепла, яке він отримує. Навіть зміни на кілька міліват енергії достатньо, щоб її зафіксували прилади.

Найбільшою проблемою, з якою доводиться боротися розробникам телескопів, є розширення. Коли матеріали нагріваються, вони розширюються, і навіть незначні коливання температури можуть спричинити здуття частин телескопа та спотворення даних.

У результаті більшість компонентів Euclid виготовлені з чудового матеріалу під назвою карбід кремнію. Ця кераміка має надзвичайно низький коефіцієнт розширення, що означає, що вона дуже мало розширюється під час нагрівання. І оскільки він використовується в усіх інструментах, якщо він розширюється, то рівномірно. Навіть рами для датчиків виготовлені з карбіду кремнію, як і головне дзеркало для телескопа. Дзеркало було відполіровано з допуском у кілька нанометрів, процес, який тривав майже рік.

Увесь цей догляд означає, що супутник надзвичайно стабільний і зможе робити чіткі та точні зображення.

Пропонувати щось людству

У той час як дослідження темної матерії та темної енергії здебільшого важливі для теоретичної фізики, полювання також може мати практичні наслідки. По-перше, апаратне забезпечення, розроблене для таких проектів, як Euclid, і методи вимірювання, які розроблені, можуть використовуватися в цілому ряді різних галузей. По-друге, Євклід збиратиме величезну кількість даних.

«За допомогою наших даних ми не тільки вимірюємо темну енергію та темну матерію, але й робимо фотографії всього, що бачимо в небі на цих довжинах хвиль», — сказав Лаурейс. «Тож тут набагато більше астрономії. І це також захоплююча частина, тому що ми пропонуємо людству, астрономам щось таке нове. Через вісім років ви зможете зайти на веб-сайт ESA і потрапити в будь-яке місце на небі та побачити, як це виглядає з величезною роздільною здатністю на глибині 10 мільйонів років тому».

Однак перш за все пошуки темної матерії та темної енергії спрямовані на розуміння того, як наш Всесвіт працює на найфундаментальніших рівня та відповісти на запитання, яке зараз є надзвичайно незрозумілим: «Те, що ми бачимо навколо, становить лише 5% того, що є у нашому Всесвіті. Інші 95% — це темна матерія та темна енергія, що ми навряд чи можемо пояснити», — сказав Лаурейс. «Це, на мій погляд, основна причина того, що ми займаємося Евклідом».

Саме це дивне, невиправдане питання про те, з чого складається Всесвіт, спонукає вчених, інженерів і астрономів, які працюють з темною матерією. Тому що те, що ми бачимо навколо, лише дряпає поверхню того, що існує в невідомому.