Teleskop kosmiczny skanuje cały wszechświat, aby zrozumieć ciemną materię i ciemną energię

W ten weekend wystartowała misja Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA): teleskop kosmiczny, którego celem jest odkrycie tajemnic ciemnej materii i ciemnej energii. Ważący 2,2 tony statek kosmiczny z 1,2-metrowym teleskopem został wyniesiony w kosmos przez rakietę SpaceX Falcon 9 i jest teraz w drodze na orbitę wokół Słońca.

Pierwotnie misja miała zostać wystrzelona rosyjską rakietą Sojuz z Europejskiego Portu Kosmicznego w Gujanie Francuskiej, ale po rosyjskiej inwazji na Ukrainę współpraca między ESA a Rosją ustała. Zamiast tego teleskop wystartował ze Stacji Sił Kosmicznych Cape Canaveral na Florydzie i wystartował o godzinie 12:11 czasu wschodniego w sobotę, 1 lipca.

Teleskop zmierza na orbitę zwaną L2, drugi punkt Lagrange’a, tę samą orbitę, z której korzysta Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba i inne teleskopy kosmiczne. Ta orbita zapewnia wysoką stabilność, co jest szczególnie ważne w przypadku misji takiej jak Euclid, której celem jest zbieranie bardzo szczegółowych obserwacji wszechświata.

Euclid musi osiągnąć drugi poziom w ciągu czterech tygodni, a następnie przez dwa miesiące przygotowywać się przed rozpoczęciem obserwacji naukowych na początku października.

Euclid przeprowadzi szeroko zakrojone i głębokie badania wszechświata, łącząc obrazy w celu stworzenia mapy wszechświata, która pomoże zidentyfikować dwa tajemnicze pojęcia: ciemną materię, która stanowi około 27 procent wszystkiego, co istnieje, oraz ciemną energię, która stanowi około 68 procent wszechświata. Każdy atom, cząsteczka i kawałek materii, które możemy zaobserwować, stanowi pozostałe 5 procent znane jako zwykła lub barionowa materia.

Wiemy, że ciemna materia i ciemna energia muszą istnieć z powodu ruchów galaktyk i sposobu rozszerzania się wszechświata. Jednak jest to bardzo trudne do zbadania, ponieważ ciemna materia nie oddziałuje ze światłem, a ciemna energia jest nieznaną formą energii. Aby więc znaleźć na to dowody, musimy spojrzeć bardzo szeroko.

„Jeśli chcesz zajmować się kosmologią i obserwować Wszechświat jako całość, musisz przeprowadzić duży przegląd” — wyjaśnił Giuseppe Racca, kierownik projektu Euclid w ESA, podczas briefingu prasowego. „A Euclid specjalnie zaprojektował teleskop szerokokątny, aby objąć większość obserwowalnego wszechświata w bardzo krótkim czasie”.

Teleskop Euclid zbada 36 procent nieba podczas swojej sześcioletniej misji, a aby wykryć duży obszar, teleskop ma bardzo szerokie pole widzenia. Odnosi się to do ilości nieba obserwowalnego przez teleskop, aw przypadku Euclida pole widzenia jest 2,5 razy większe od Księżyca.

Porównaj to, powiedzmy, z Kosmicznym Teleskopem Hubble’a, który ma pole widzenia nie większe niż 1/12 wielkości Księżyca. Teleskop Hubble’a może bardzo szczegółowo obrazować obiekty takie jak galaktyki lub mgławice, ale skanowanie porównywalnego obszaru nieba w poszukiwaniu Euclida zajęłoby około 1000 lat.

A jeśli zastanawiasz się, dlaczego Euclid zbadał nieco ponad jedną trzecią nieba, to dlatego, że nie można zobaczyć odległych galaktyk w innych obszarach nieba, ponieważ te odległe obiekty są zasłonięte przez bliższe gwiazdy i pył wewnątrz naszego. galaktyka.

Euclid będzie miał dwa instrumenty: instrument widzialny (VIS), który działa w świetle widzialnym, oraz spektrometr i fotometr bliskiej podczerwieni (NISP), który działa w bliskiej podczerwieni. Pokrycie tych dwóch długości fal pozwala naukowcom zobaczyć galaktyki przesunięte ku czerwieni, co oznacza, że ​​gdy oddalają się od nas, ich światło jest skierowane w stronę czerwonego końca widma.

Łącząc obserwacje z obu urządzeń, obserwacje Euclida można wykorzystać do stworzenia trójwymiarowej mapy pokazującej rozmieszczenie widzialnej materii we wszechświecie.

Ale ciemna materia jest niewidoczna – dlatego tak trudno ją badać. Nie można ich obserwować bezpośrednio, ale można wywnioskować o ich istnieniu, patrząc na rozkład materii, który widzimy.

„Ciemna energia i ciemna materia ujawniają się poprzez bardzo subtelne zmiany, jakie wprowadzają w wyglądzie rzeczy w obserwowalnym wszechświecie” – wyjaśnił René Lorig, naukowiec projektu Euclid.

Dwie główne metody badania ciemnej energii i ciemnej materii, których używa Euclid, to słabe soczewkowanie i grupowanie galaktyk. Zastosowanie dwóch metod do zbadania tej samej rzeczy pozwala naukowcom porównać swoje wyniki ze sobą i, miejmy nadzieję, uzyskać dokładniejsze wyniki.

Soczewkowanie grawitacyjne to efekt, w którym grawitacja bardzo dużych obiektów, takich jak galaktyki lub gromady galaktyk, zniekształca czasoprzestrzeń, działając jak szkło powiększające i zmieniając światło pochodzące z odległych obiektów znajdujących się za obiektem pierwszego planu.

Widząc, jak silny jest efekt soczewkowania, naukowcy mogą obliczyć masę obiektu na pierwszym planie – i porównać tę obliczoną masę z masą widzialnej materii w galaktyce na pierwszym planie. Jeśli istnieje znacząca różnica między obliczonymi masami a obserwowanymi masami, oznacza to, że na pierwszym planie obecne są duże ilości ciemnej materii.

Inny efekt, gromadzenie się galaktyk, odnosi się do sposobu, w jaki galaktyki są rozmieszczone w trzech wymiarach we wszechświecie. Gdy wszechświat się rozszerza, galaktyki oddalają się od nas, powodując przesunięcie ku czerwieni. Naukowcy mogą porównać rzeczywistą odległość do galaktyki z jej przesunięciem ku czerwieni za pomocą zjawiska zwanego akustycznymi oscylacjami barionowymi, co może pokazać, jak szybko wszechświat się rozszerza – co jest bezpośrednio związane z ciemną energią.

Łącznie te metody powinny pomóc kosmologom dowiedzieć się więcej o ciemnej materii i ciemnej energii niż kiedykolwiek wcześniej. Aby zebrać dane, Euclid wykona podczas swojej misji około miliona zdjęć z 12 miliardów obiektów. To powinno nas zbliżyć o krok do możliwości wykrywania i badania tych nieuchwytnych zjawisk oraz do zrozumienia budowy otaczającego nas wszechświata.

„To coś więcej niż tylko teleskop kosmiczny”, powiedział Lorigis, „to naprawdę detektor ciemnej energii”.