Euclid-teleskop:Videnskabsmand rapporterer om sin søgen efter at forstå naturen af ​​mørkt stof og mørk energi

Den 1. juli 2023 blev Euclid, et unikt europæisk rumteleskop opsendt fra Cape Canaveral. Opsendelsen var uden tvivl højdepunktet i min karriere som astronom, men det er ikke for sarte sjæle at være vidne til resultatet af mange års arbejde på en raket. Efter en perfekt opsendelse ankom Euclid hurtigt til sin planlagte bane, omkring 1,5 millioner km væk fra Jorden. Fra dette fjerne udsigtspunkt er det begyndt at sende skarpe billeder tilbage, som vil dække næsten en tredjedel af himlen ved udgangen af ​​dette årti.

Euklid er det næste store skridt fremad i vores søgen efter at prøve at forstå universet. I løbet af det sidste århundrede har vi gjort enorme fremskridt. Vi har erfaret, at fusionen af ​​brint til helium driver stjerner som vores sol, mens de fleste af atomerne i vores kroppe blev smedet i kernerne af stjerner, der siden er eksploderet. Vi opdagede, at galaksen er en af ​​mange galakser, der sporer enorme skumlignende strukturer, der gennemsyrer kosmos. Vi ved nu, at universet startede for omkring 13,6 milliarder år siden med et "Big Bang" og har udvidet sig lige siden.

Undersøge universets sorte boks

Det er store præstationer, men efterhånden som vi lærte mere, blev det også klart, at der er meget, vi ikke forstår. For eksempel menes det meste af massen at være "mørkt stof", en ny form for stof, der ikke forklares af den ellers meget vellykkede standardmodel for partikelfysik. Tyngdekraften af ​​alt dette stof burde bremse universets udvidelse, men for omkring 25 år siden fandt vi ud af, at det faktisk accelererer. Dette kræver en endnu mere mystisk komponent. For at afspejle vores uvidenhed – til dato findes der ingen god fysisk forklaring – vi refererer til det som "mørk energi". Kombineret udgør mørkt stof og mørk energi 95 % af universet, men vi forstår ikke deres natur.

Hvad vi ved er, at begge mørke komponenter påvirker, hvor store strukturer der kan dannes. Tyngdekraften fra mørkt stof hjælper med at samle stof til galakser eller endnu større objekter. I modsætning hertil skubber mørk energi ting fra hinanden og modvirker dermed effektivt tyngdekraften. Balancen mellem de to udvikler sig, efterhånden som universet udvider sig, hvor mørk energi bliver stadig mere dominerende. Detaljerne afhænger af arten af ​​de mørke komponenter, og sammenligning med observationer giver os mulighed for at skelne mellem forskellige teorier. Dette er hovedårsagen til, at Euclid blev lanceret. Det vil kortlægge, hvordan sagen er fordelt, og hvordan dette har udviklet sig over tid. Disse målinger kan give den meget nødvendige vejledning, der vil føre til en bedre forståelse af universets mørke side.

Men hvordan kan vi studere fordelingen af ​​stof, hvis det meste af det er usynligt mørkt stof? Heldigvis har naturen givet en bekvem vej frem:Einsteins generelle relativitetsteori fortæller os, at stof krummer rummet omkring det. Klumper af mørkt stof afslører deres tilstedeværelse ved at forvrænge formerne af fjernere galakser, ligesom bølger på overfladen af ​​en swimmingpool forvrænger mønsteret af fliser på bunden.

Gravitationslinser og dens spor

I betragtning af ligheden med almindelige optiske linser - fysikken er anderledes, men matematikken er den samme - omtales bøjningen af ​​lysstråler af stof som gravitationslinser. I sjældne tilfælde er bøjningen så kraftig, at flere billeder af den samme galakse kan observeres. Det meste af tiden er effekten dog mere subtil, den ændrer aldrig så lidt formene på fjerne galakser. Ikke desto mindre, hvis vi gennemsnit af målinger for et stort antal galakser, kan vi afsløre mønstre i deres orienteringer, som er blevet præget af den mellemliggende fordeling af stof, både regelmæssig og mørk.

Dette "svage linse"-signal er måske ikke så spektakulært, men det giver os en direkte måde at kortlægge fordelingen af ​​stof i universet, især når det kombineres med afstande til de galakser, som formerne blev målt for. Potentialet i denne teknik blev erkendt i begyndelsen af ​​halvfemserne, men det var også klart, at målingerne ville være udfordrende. Turbulens i atmosfæren slører vores syn på de svage, små, fjerne galakser, som vi ønsker at bruge, mens ufuldkommenheder i teleskopoptikken uundgåeligt ændrer galaksernes observerede former. Derfor var det astronomiske samfund skeptisk over for den tekniske gennemførlighed. Sådan var situationen, da jeg startede min ph.d. i 1995, da jeg begav mig ud på en rejse for at bevise, at de tog fejl.

I årenes løb har vi opdaget og løst nye problemer ved at bruge stadig større datasæt indsamlet med jordbaserede teleskoper. Med udgangspunkt i observationer fra Hubble-rumteleskopet, der blev opsendt i 1990, havde mit specialearbejde allerede vist, at delvist at måle former er langt lettere fra rummet. Indtil Euklids ankomst kunne rumteleskoper dog kun observere små pletter af himlen:James Webb Space Telescope (JWST), der blev opsendt i 2021, ser det, der svarer til et sandkorn i armslængde. Men for virkelig at teste naturen af ​​mørk energi er vi nødt til at dække 6 millioner gange mere område. Det er det, der førte til Euclid, et unikt teleskop, designet til at give skarpe billeder til 1,5 milliarder galakser, samt afstandsinformation til disse. Som figur 2 viser, observerer vi i et enkelt skud et område, der er større end fuldmånen.

Disse data suppleres af præcise afstande for omkring 25 millioner galakser for at kortlægge fordelingen af ​​fjerne galakser meget detaljeret.

Kosmologikoordinator for Euclid

Da jeg startede min rejse ind i dette forskningsfelt, var mørk energi ikke blevet opdaget, mens få troede på, at svag linse ville være et vigtigt værktøj til at studere fordeling af stof. Hvordan tingene har ændret sig. Lanceringen af ​​Euclid er uden tvivl den mest spektakulære demonstration af dette. Siden 2011 – da projektet stadig blev overvejet af European Space Agency (ESA) som en del af dets Cosmic Vision-program – har jeg været en af ​​Euclids kosmologikoordinatorer. Det betyder, at jeg var ansvarlig for at etablere de vigtigste karakteristika ved missionen, især dem, der vedrører svag gravitationslinser. Dette omfattede at specificere, hvor skarpe billederne skulle være, og hvor godt vi skal måle galaksernes former. Arbejdet involverede også hyppige interaktioner med European Space Agency (ESA) for at klarlægge de videnskabelige mål og finde ud af, hvordan man håndterer ny indsigt.

Takket være hårdt arbejde fra et stort hold af ingeniører og videnskabsmænd lykkedes det os at overvinde de mange tekniske forhindringer. Vi fortsatte vores samarbejde gennem en pandemi, kun for at miste vores tilsigtede raket på grund af den russiske invasion af Ukraine – Euclid var planlagt til at opsende på en Soyuz-raket. Bemærkelsesværdigt fandt ESA hurtigt en løsning:en opsendelse på en Falcon 9 fra SpaceX. Som et resultat befandt jeg mig i Florida for at være vidne til, hvad der uden tvivl var kulminationen på al min forskning indtil videre.

Euklids forhindringsbane

Det har været en rutsjebanetur siden. De første billeder taget i juli var mere støjende end forventet, på grund af sollys, der sivede ind i kameraet. Dette ville have været et alvorligt problem, men den mest sandsynlige synder - en fremspringende thruster, der reflekterede sollys på bagsiden af ​​solskjoldet - blev hurtigt identificeret, ligesom løsningen var. Ved at dreje rumfartøjet en smule, kunne thrusteren placeres i satellittens skygge. Dette betød dog en fuldstændig gennemgang af planlægningen af ​​undersøgelsen.

Problemerne stoppede ikke der. Stråling fra solen skubber løbende Euklid en smule rundt, hvilket kompenseres ved hjælp af thrustere, der holder teleskopet helt stabilt. Først da kan vi tage de skarpe billeder, vi har brug for. Imidlertid forstyrrede energiske partikler fra solen stabiliseringssystemet, hvilket fik teleskopet til at ryste lidt. Dette blev løst med en softwareopdatering. Senest vakte opbygningen af ​​is inde i teleskopet bekymring, men det problem blev også taklet med succes.

For at give verden en fornemmelse af dens potentiale, blev der udsendt et par "tidlige udgivelsesobservationer" af fotogene objekter i november. Den, der er tættest på min forskning, er den af ​​Perseus-klyngen af ​​galakser (figur 1). Ud over de store gullige galakser, som er en del af denne massive stofklump, giver Euklid detaljerede billeder af yderligere 50.000 galakser. Dette detaljeringsniveau er, hvad jeg har brug for til min forskning, men indtil videre har jeg kun 800 ud af 25.000 sådanne billeder! Dette er startet:den 15. februar 2024 startede Euclid sin hovedundersøgelse, og i de næste 2200 dage vil den blive ved med at fotografere himlen. Denne enorme mængde data vil være et skattekammer for astronomer – og hele verden – i de kommende år. For eksempel kan vi i detaljer studere strukturen af ​​hundredvis af nærliggende galakser, såsom IC 342 (figur 3). Disse billeder er blot en teaser for, hvad fremtiden vil bringe.

Leveret af The Conversation

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.