_ Euclid telescop: om de știință relatează despre încercarea sa de a înțelege natura materiei întunecate și a energiei întunecate

La 1 iulie 2023, Euclid, un telescop spațial european unic a fost lansat de la Cape Canaveral. Lansarea a fost, fără îndoială, punctul culminant al carierei mele de astronom, dar să fiu martor la rezultatul anilor de muncă pusă pe o rachetă nu este pentru cei slabi de inimă. După o lansare perfectă, Euclid a ajuns rapid pe orbita sa planificată, la aproximativ 1,5 milioane de km distanță de Pământ. Din acest punct de vedere îndepărtat, a început să trimită înapoi imagini clare care vor acoperi aproape o treime din cer până la sfârșitul acestui deceniu.

Euclid este următorul mare pas înainte în încercarea noastră de a încerca să intelege universul. În ultimul secol am făcut progrese extraordinare. Am aflat că fuziunea hidrogenului în heliu alimentează stelele precum soarele nostru, în timp ce majoritatea atomilor din corpurile noastre au fost forjați în nucleele stelelor care au explodat de atunci. Am descoperit că galaxia este una dintre multele galaxii care urmăresc structuri enorme asemănătoare spumei care pătrund în cosmos. Știm acum că universul a început cu aproximativ 13,6 miliarde de ani în urmă cu un „Big Bang” și s-a extins de atunci.

Acestea sunt realizări majore, dar pe măsură ce am aflat mai multe, a devenit clar și că există multe pe care nu le înțelegem. De exemplu, se crede că cea mai mare parte a masei este „materie întunecată”, o nouă formă de materie care nu este explicată de modelul standard de mare succes al fizicii particulelor. Atracția gravitațională a acestei materii ar trebui să încetinească expansiunea universului, dar acum aproximativ 25 de ani am constatat că de fapt se accelerează. Acest lucru necesită o componentă și mai misterioasă. Pentru a reflecta ignoranța noastră – până în prezent, nu există o explicație fizică bună – ne referim la ea ca „energie întunecată”. Combinate, materia întunecată și energia întunecată formează 95% din univers, dar nu înțelegem natura lor.

Ceea ce știm este că ambele componente întunecate influențează modul în care se pot forma structurile mari. Gravitația din materia întunecată ajută la strângerea materiei în galaxii sau chiar în obiecte mai mari. În schimb, energia întunecată împinge lucrurile, contracarând astfel în mod eficient atracția gravitațională. Echilibrul dintre cele două evoluează pe măsură ce universul se extinde, energia întunecată devenind din ce în ce mai dominantă. Detaliile depind de natura componentelor întunecate, iar compararea cu observațiile ne permite să distingem diferitele teorii. Acesta este motivul principal pentru care a fost lansat Euclid. Acesta va cartografi cum este distribuită materia și cum a evoluat aceasta de-a lungul timpului. Aceste măsurători pot oferi îndrumarea atât de necesară care va duce la o mai bună înțelegere a părții întunecate a universului.

Dar cum putem studia distribuția materiei, dacă cea mai mare parte a acesteia este materie întunecată invizibilă? Din fericire, natura a oferit o cale convenabilă de urmat: teoria relativității generale a lui Einstein ne spune că materia curbează spațiul din jurul ei. Aglomerări de materie întunecată își dezvăluie prezența prin distorsionarea formelor galaxiilor mai îndepărtate, la fel cum valurile de pe suprafața unei piscine distorsionează modelul plăcilor de pe fund.

Având în vedere asemănarea cu lentilele optice obișnuite— fizica este diferită, dar matematica este aceeași - curbarea razelor de lumină de către materie este denumită lentilă gravitațională. În cazuri rare, îndoirea este atât de puternică încât pot fi observate mai multe imagini ale aceleiași galaxii. De cele mai multe ori, totuși, efectul este mai subtil, modificând puțin atât de mult formele galaxiilor îndepărtate. Cu toate acestea, dacă facem o medie a măsurătorilor pentru un număr mare de galaxii, putem descoperi modele în orientările lor care au fost imprimate de distribuția intermediară a materiei, atât regulată, cât și întunecată.

Acest semnal de „lentilă slabă” poate să nu fie atât de spectaculos, dar ne oferă o modalitate directă de a mapa distribuția materiei în univers, mai ales atunci când este combinat cu distanțe până la galaxiile pentru care formele au fost măsurate. Potențialul acestei tehnici a fost recunoscut la începutul anilor 90, dar era, de asemenea, clar că măsurătorile vor fi provocatoare. Turbulențele din atmosferă ne estompează vederea despre galaxiile slabe, mici și îndepărtate pe care vrem să le folosim, în timp ce imperfecțiunile opticei telescopului schimbă inevitabil formele observate ale galaxiilor. Prin urmare, comunitatea astronomică a fost sceptică cu privire la fezabilitatea tehnică. Aceasta a fost situația când mi-am început doctoratul. în 1995, când am pornit într-o călătorie pentru a le dovedi greșit.

De-a lungul anilor, folosind seturi de date tot mai mari colectate cu telescoape de la sol, am descoperit și rezolvat noi probleme. Bazându-mă pe observațiile de la telescopul spațial Hubble lansat în 1990, lucrarea mea de teză a arătat deja că măsurarea parțială a formelor este mult mai ușoară din spațiu. Cu toate acestea, până la sosirea lui Euclid, telescoapele spațiale au putut observa doar pete minuscule de cer: telescopul spațial James Webb (JWST), lansat în 2021, vede echivalentul unui grăunte de nisip la distanță de braț. Cu toate acestea, pentru a testa cu adevărat natura energiei întunecate, trebuie să acoperim de 6 milioane de ori mai multă zonă. Acesta este ceea ce a condus la Euclid, un telescop unic, conceput pentru a oferi imagini clare pentru 1,5 miliarde de galaxii, precum și informații despre distanță până la acestea. După cum arată figura 2, într-o singură fotografie observăm o zonă mai mare decât luna plină.

Aceste date sunt completate de distanțe precise pentru aproximativ 25 de milioane de galaxii pentru a mapa distribuția galaxiilor îndepărtate în detaliu.

Când mi-am început călătoria în acest domeniu de cercetare, energia întunecată nu fusese descoperită, în timp ce puțini credeau că lentila slabă ar fi un instrument major pentru a studia distribuția materiei. Cum s-au schimbat lucrurile. Lansarea lui Euclid este, fără îndoială, cea mai spectaculoasă demonstrație a acestui lucru. Din 2011 – când proiectul era încă considerat de către Agenția Spațială Europeană (ESA) ca parte a programului său Cosmic Vision – am fost unul dintre coordonatorii cosmologiei ai lui Euclid. Aceasta înseamnă că am fost responsabil pentru stabilirea principalelor caracteristici ale misiunii, în special cele referitoare la lentilele gravitaționale slabe. Aceasta a inclus specificarea cât de clare ar trebui să fie imaginile și cât de bine trebuie să măsurăm formele galaxiilor. Lucrarea a implicat, de asemenea, interacțiuni frecvente cu Agenția Spațială Europeană (ESA) pentru a clarifica obiectivele științifice și pentru a afla cum să facem față noilor perspective.

Datorită muncii asidue a unei echipe mari de ingineri și oameni de știință, am reușit să depășim numeroasele obstacole tehnice. Ne-am continuat colaborarea printr-o pandemie, doar pentru a pierde racheta pe care ne-am propus-o din cauza invaziei ruse a Ucrainei – Euclid era planificat să se lanseze pe o rachetă Soyuz. În mod remarcabil, ESA a găsit rapid o soluție: o lansare pe un Falcon 9 de către SpaceX. Drept urmare, m-am trezit în Florida pentru a asista la ceea ce a fost, probabil, punctul culminant al tuturor cercetărilor mele de până acum.

De atunci, a fost o plimbare cu montagne russe. Primele imagini realizate în iulie au fost mai zgomotoase decât se anticipa, din cauza luminii soarelui care s-a infiltrat în cameră. Aceasta ar fi fost o problemă serioasă, dar cel mai probabil vinovat - un propulsor proeminent care reflecta lumina soarelui pe partea din spate a parasolarului - a fost identificat rapid, la fel ca și soluția. Prin rotirea foarte ușor a navei spațiale, propulsorul ar putea fi plasat în umbra satelitului. Acest lucru a însemnat însă o revizuire completă a planificării sondajului.

Problemele nu s-au oprit aici. Radiația de la soare îl împinge continuu pe Euclid, ceea ce este compensat cu ajutorul propulsoarelor care mențin telescopul complet stabil. Abia atunci putem face pozele clare de care avem nevoie. Cu toate acestea, particulele energetice de la soare au interferat cu sistemul de stabilizare, făcând telescopul să tremure puțin. Acest lucru a fost rezolvat cu o actualizare de software. Cel mai recent, acumularea de gheață în interiorul telescopului a provocat îngrijorare, dar această problemă a fost, de asemenea, rezolvată cu succes.

Pentru a oferi lumii un simț al potențialului său, câteva „observări de eliberare timpurie” a obiectelor fotogenice au fost emise în noiembrie. Cea mai apropiată de cercetarea mea este cea a clusterului de galaxii Perseus (Figura 1). Pe lângă marile galaxii gălbui, care fac parte din această grămadă masivă de materie, Euclid oferă imagini detaliate ale altor 50.000 de galaxii. Acest nivel de detaliu este ceea ce am nevoie pentru cercetarea mea, dar până acum am doar 800 din 25.000 de astfel de imagini! Asta a început: pe 15 februarie 2024, Euclid și-a început sondajul principal și în următoarele 2200 de zile va continua să fotografieze cerul. Această cantitate mare de date va fi o comoară pentru astronomi – și pentru întreaga lume – în anii următori. De exemplu, putem studia în detaliu structura a sute de galaxii din apropiere, cum ar fi IC 342 (Figura 3). Aceste imagini sunt doar o prezentare a ceea ce va aduce viitorul.

Acest articol este republicat din The Conversation sub o licență Creative Commons. Citiți articolul original.

(Fluierul)