Телескоп Евклид: ученый сообщает о своих попытках понять природу темной материи и темной энергии

1 июля 2023 года с мыса Канаверал был запущен уникальный европейский космический телескоп «Евклид». Запуск, несомненно, стал кульминацией моей карьеры астронома, но увидеть результат многолетней работы над ракетой — занятие не для слабонервных. После идеального запуска «Евклид» быстро прибыл на запланированную орбиту, расположенную примерно в 1,5 миллионах километров от Земли. С этой удаленной точки обзора он начал отправлять четкие изображения, которые к концу этого десятилетия покроют почти треть неба.

Евклид — это следующий большой шаг вперед в наших поисках понимания Вселенной. За последнее столетие мы добились огромного прогресса. Мы узнали, что синтез водорода в гелий питает звезды, подобные нашему Солнцу, в то время как большинство атомов в наших телах были созданы в ядрах звезд, которые с тех пор взорвались. Мы обнаружили, что эта галактика является одной из многих галактик, в которых наблюдаются огромные пенообразные структуры, пронизывающие космос. Теперь мы знаем, что Вселенная началась около 13,6 миллиардов лет назад в результате «Большого взрыва» и с тех пор расширяется.

Исследование черного ящика Вселенной

Это крупные достижения, но по мере того, как мы узнавали больше, стало ясно, что мы многого не понимаем. Например, считается, что большая часть массы представляет собой «темную материю», новую форму материи, которая не объясняется в остальном весьма успешной стандартной моделью физики элементарных частиц. Гравитационное притяжение всей этой материи должно замедлить расширение Вселенной, но около 25 лет назад мы обнаружили, что оно на самом деле ускоряется. Для этого требуется еще более загадочный компонент. Чтобы отразить наше невежество – на сегодняшний день не существует хорошего физического объяснения – мы называем это «темной энергией». В совокупности темная материя и темная энергия составляют 95% Вселенной, но мы не понимаем их природу.

Что мы точно знаем, так это то, что оба темных компонента влияют на то, как могут формироваться крупные структуры. Гравитация темной материи помогает объединить материю в галактики или даже более крупные объекты. Напротив, темная энергия раздвигает объекты, тем самым эффективно противодействуя гравитационному притяжению. Баланс между ними развивается по мере расширения Вселенной, при этом темная энергия становится все более доминирующей. Детали зависят от природы темных компонент, и сравнение с наблюдениями позволяет различать разные теории. Это основная причина, по которой был запущен Евклид. Он покажет, как распределяется материя и как это развивалось с течением времени. Эти измерения могут дать столь необходимое руководство, которое приведет к лучшему пониманию темной стороны Вселенной.

Но как мы можем изучать распределение материи, если большая часть ее — невидимая темная материя? К счастью, природа предоставила удобный путь вперед: общая теория относительности Эйнштейна говорит нам, что материя искривляет пространство вокруг себя. Сгустки темной материи обнаруживают свое присутствие, искажая формы более отдаленных галактик, точно так же, как волны на поверхности бассейна искажают рисунок плитки на дне.

Гравитационное линзирование и его подсказки

Учитывая сходство с обычными оптическими линзами (физика другая, но математика та же), изгиб световых лучей веществом называется гравитационным линзированием. В редких случаях изгиб настолько силен, что можно наблюдать несколько изображений одной и той же галактики. Однако в большинстве случаев эффект более тонкий, слегка меняющий форму далеких галактик. Тем не менее, если мы усредним измерения для большого количества галактик, мы сможем обнаружить закономерности в их ориентации, которые были отпечатаны промежуточным распределением материи, как регулярной, так и темной.

Этот сигнал «слабого линзирования», возможно, не такой уж впечатляющий, но он дает нам прямой способ составить карту распределения материи во Вселенной, особенно в сочетании с расстояниями до галактик, для которых были измерены формы. Потенциал этого метода был признан в начале девяностых годов, но было также ясно, что измерения будут непростыми. Турбулентность в атмосфере затуманивает наше представление о слабых, маленьких и далеких галактиках, которые мы хотим использовать, в то время как несовершенства оптики телескопа неизбежно меняют наблюдаемые формы галактик. Следовательно, астрономическое сообщество скептически относилось к технической осуществимости. Такова была ситуация, когда я начал писать докторскую диссертацию. в 1995 году, когда я отправился в путешествие, чтобы доказать их неправоту.

За прошедшие годы, используя все большие наборы данных, собранные с помощью наземных телескопов, мы обнаружили и решили новые проблемы. Основываясь на наблюдениях космического телескопа Хаббл, запущенного в 1990 году, моя дипломная работа уже показала, что частичное измерение форм из космоса гораздо проще. Однако до прибытия Евклида космические телескопы могли наблюдать лишь крошечные участки неба: космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), запущенный в 2021 году, видит на расстоянии вытянутой руки эквивалент песчинки. Однако, чтобы действительно проверить природу темной энергии, нам нужно охватить в 6 миллионов раз большую территорию. Именно это привело к созданию Евклида, уникального телескопа, предназначенного для получения четких изображений 1,5 миллиардов галактик, а также информации о расстоянии до них. Как видно из рисунка 2, на одном снимке мы наблюдаем область, большую, чем полная Луна.

Эти данные дополняются точными расстояниями примерно до 25 миллионов галактик, что позволяет составить детальную карту распределения далеких галактик.

Координатор космологии Евклида

Когда я начал свой путь в этой области исследований, темная энергия еще не была открыта, и мало кто верил, что слабое линзирование станет основным инструментом для изучения распределения материи. Как все изменилось. Запуск «Евклида», пожалуй, самая эффектная демонстрация этого. С 2011 года, когда этот проект все еще рассматривался Европейским космическим агентством (ЕКА) в рамках программы «Космическое видение», я был одним из координаторов космологии Евклида. Это означает, что я отвечал за определение основных характеристик миссии, в частности тех, которые касались слабого гравитационного линзирования. Это включало определение того, насколько четкими должны быть изображения и насколько хорошо нам нужно измерять формы галактик. Работа также включала частое взаимодействие с Европейским космическим агентством (ЕКА) для уточнения научных целей и выяснения того, как реагировать на новые идеи.

Благодаря упорной работе большой команды инженеров и ученых нам удалось преодолеть множество технических препятствий. Мы продолжили наше сотрудничество во время пандемии, но потеряли намеченную ракету из-за российского вторжения в Украину — «Евклид» планировалось запустить на ракете «Союз». Примечательно, что ЕКА быстро нашло решение: запуск ракеты Falcon 9 от SpaceX. В результате я оказался во Флориде, чтобы стать свидетелем того, что, возможно, стало кульминацией всех моих исследований до сих пор.

Полоса препятствий Евклида

С тех пор это была поездка на американских горках. Первые изображения, сделанные в июле, оказались более шумными, чем ожидалось, из-за попадания солнечного света в камеру. Это было бы серьезной проблемой, но наиболее вероятный виновник — выступающий двигатель, отражавший солнечный свет на заднюю часть солнцезащитного козырька — был быстро идентифицирован, как и решение. Слегка повернув космический корабль, двигатель можно было разместить в тени спутника. Однако это означало полный пересмотр планирования исследования.

На этом проблемы не закончились. Солнечное излучение постоянно немного толкает Евклида, что компенсируется использованием двигателей, которые обеспечивают полную устойчивость телескопа. Только тогда мы сможем сделать нужные нам четкие снимки. Однако энергичные частицы Солнца помешали работе стабилизирующей системы, заставив телескоп немного трястись. Проблема была решена обновлением программного обеспечения. Совсем недавно беспокойство вызвало скопление льда внутри телескопа, но и эта проблема была успешно решена.

Чтобы дать миру представление о его потенциале, в ноябре было опубликовано несколько «ранних наблюдений» за фотогеничными объектами. Ближе всего к моим исследованиям относится скопление галактик Персея (рис. 1). Помимо больших желтоватых галактик, которые являются частью этого массивного скопления материи, Евклид предоставил подробные изображения еще 50 000 галактик. Такой уровень детализации — то, что мне нужно для моего исследования, но на данный момент у меня есть только 800 таких изображений из 25 000! Это началось: 15 февраля 2024 года Евклид приступил к основной съемке и в ближайшие 2200 дней продолжит фотографировать небо. Этот огромный объем данных станет сокровищницей для астрономов – и всего мира – на долгие годы. Например, мы можем детально изучить структуру сотен близких галактик, таких как IC 342 (рис. 3). Эти изображения — всего лишь намек на то, что принесет будущее.

Информация от: Разговором

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.