Телескоп «Евклід» вирушив вивчати темну матерію та темну енергію — дуже загадкові та зовсім невидимі
![Версия для печати Версия для печати](/sites/all/modules/print/icons/print_icon.gif)
![](https://argumentua.com/sites/default/files/40-2-3-20303-39383.png?1688701906)
Спеціально для цього вчені вигадали хитрий спосіб, схожий на томографію.
1 липня на ракеті "Фалькон 9" до космосу вирушив космічний телескоп "Евклід" європейського космічного агентства (ESA). Запуск "Евкліда" вплине на всю сучасну астрофізику: за допомогою телескопа вчені спробують зробити 3D-карту (або "томограму") Всесвіту - і краще зрозуміти природу загадкових темної матерії та темної енергії. Ще дослідники очікують від апарата знімків ста тисяч об'єктів Сонячної системи — це набагато більше, ніж робили його попередники. Медуза розповідає, чому дані Евкліда стануть золотим стандартом позагалактичної астрономії на десятиліття вперед і як вчені придумали спосіб дослідити те, що за визначенням невидимо для людського ока.
За допомогою "Евкліда" вчені отримають 30 петабайт даних - це як сім мільйонів фільмів у високій якості. Вони потрібні для вивчення темної матерії та темної енергії.
Ідея створення телескопа «Евклід» з'явилася в ESA у 2008 році, але формальною датою початку розробки місії вважається 2012-й — саме тоді було укладено перший контракт на проектування апарату. Обсерваторію зводили майже 10 років. Спочатку телескоп мала запускати ракета «Союз-2», але після вторгнення Росії в Україну Дмитро Рогозін, який тоді очолював корпорацію «Роскосмос», заборонив використання російських ракет-носіїв європейськими організаціями (тоді чиновник стверджував, що ракета, здатна замінити «Союз», може з'явитися у європейців лише через два-три роки — і вони будуть змушені звернутися за допомогою до США). У жовтні 2022-го справді було вирішено, що "Евклід" полетить у космос на ракеті "Фалькон 9" американської компанії SpaceX.
Запуск телескопа транслювали у прямому ефірі, це був 236-й старт ракети «Фалькон 9» і 204-а успішна посадка багаторазового першого ступеня ракети. Після запуску «Евклід» вирушив до точки Лагранжа L2 системи Земля — Сонце за півтора мільйони кілометрів від Землі — до тієї самої точки L2, куди нещодавно відправився телескоп Вебба і де вже давно знаходяться апарати місій ESA, що пройшли і все ще тривають: «Гершель», «Планк» та «Гайя».
Перші дані, необхідні для калібрування та перевірки всіх систем, мають надійти від «Евкліду» вже за кілька місяців, а перший повноцінний реліз даних заплановано на 2025 рік. Усього в міру накопичення та обробки даних очікується три повноцінні релізи, останній з яких вийде 2030 року — приблизно через рік після закінчення роботи телескопа. Загальний очікуваний обсяг даних, отриманих «Євклідом» та телескопами підтримки за шість років, – понад 30 петабайт.
Основна мета телескопа – протягом шести років вивчати темну матерію та темну енергію. Крім назви, ці субстанції мають як мінімум дві загальні деталі: це одні з найважливіших загадок у сучасній астрономії та обидві невидимі. Тим не менш, ці феномени можна вивчати за допомогою «Евкліда», а ще телескоп напевно зробить безліч супутніх відкриттів — наприклад, дозволить розглянути рідкісні і вкрай цікаві ранні галактики, які з'явилися, коли Всесвіту було всього 700 мільйонів років.
Тож чим цікаві темна матерія і темна енергія? Якщо коротко: одна утримує скупчення галактик разом, а друга відповідає за розширення Всесвіту.
Понад сто років тому Альберт Ейнштейн сформулював Загальну теорію відносності (ОТО), перевернувши уявлення людей про гравітацію. З'ясувалося, що Земля не притягує яблуко себе силою, а своєю масою викривляє простір, у якому яблуко рухається особливими кривими, які називаються геодезичними. Мовою математики ВТО записується коротким (але надзвичайно складно розв'язуваним) рівнянням.
Тут записано рівняння Ейнштйена в тензорному записі, яке по суті представляє набір диференціальних рівнянь, що складно вирішуються. Його можна спрощено описати так: у правій частині маса та енергія викривляють простір, а в лівій — викривлений простір показує тілам, як їм рухатися. Грецька літера Лямбда (Λ) у лівій частині рівняння - це космологічна постійна, додана Ейнштейном для отримання статичного Всесвіту.
У лівій частині рівняння стоїть велика грецька буква лямбда (Λ,), але вона не з'являється там природним шляхом - Ейнштейн волюнтаристськи додав її через кілька років після відкриття ОТО, в 1917 році. Справа в тому, що Всесвіт, що описується рівняннями ОТО, нестатичний: ніщо не може компенсувати силу гравітації (адже немає сили відштовхування), а отже, Всесвіт повинен швидко зхлопнутися в крапку — хоч би нескінченним він був. Виходить парадокс: рівняння ОТО дійсно описували гравітацію точніше, ніж закони Ньютона, пояснювали загадкову зміну орбіти Меркурія і краще пророкували відхилення світла при сонячному затемненні, але не могли пояснити, чому Всесвіт досі існує. Цей лямбда-милиця (літера навіть зовні на нього схожа) «підпирав» Всесвіт, врівноважуючи гравітацію та забезпечуючи статичність.
У 1920-х відкриття Едвіном Хабблом розширення Всесвіту зробило лямбду непотрібною: стало ясно, що Всесвіт не хлопається під дією гравітації, тому що продовжує розширюватися після того, що ще через кілька десятиліть розвитку космології почали називати Великим вибухом. В результаті лямбду в рівняннях ОТО стали залишати тільки зовсім педантичні вчені - на знак визнання заслуг Ейнштейна.
Все це підводить нас до одного з головних та сенсаційних відкриттів XX століття: у середині 1990-х дві незалежні групи астрономів встановили (а потім отримали за це Нобелівські премії), що Всесвіт не просто розлітається, а робить це все швидше та швидше, начебто її щось розпирає зсередини. Цей невідомий досі вплив назвали темною енергією — і вражаючим виявилося те, що, хоч усі підручники астрономії довелося переписувати, головне рівняння гравітації залишилося незмінним, якщо вважати, що лямбда-член — це та сама темна енергія.
Окрім темної енергії, у космосі є ще темна матерія. Термін був запропонований швейцарським астрономом Фріцем Цвіккі, який у 1930-ті спостерігав за скупченням галактик Волос Вероніки і звернув увагу, що окремі галактики рухаються надто швидко, але при цьому не вилітають із скупчення — начебто є якась прихована маса, яка своєю гравітацією тримає їх усіх разом. Ще через 30 років американський астроном Віра Рубін виявила схожу поведінку на околицях спіральних галактик: зірки переміщалися там так швидко, що мали давно відлетіти у відкритий космос, але якась невидима телескопам маса знову ж таки утримувала їх у межах галактик.
Якщо коротко резюмувати, то темна матерія не дає розвалитися галактикам і скупченням галактик, утримуючи їх разом, а темна енергія, навпаки, відповідає за розліт усього Всесвіту, що прискорюється, коли відстані між скупченнями галактик збільшуються швидше, ніж повинні. А ще обидві вони, як ми вже згадали, за визначенням невидимі для людського ока.
Чекайте, але якщо вони невидимі — як можна вивчати їх за допомогою телескопа?
Насправді вчені стикаються з подібними завданнями вже давно — ще в XVII столітті досліди Торрічеллі з висотою водяного стовпа та знамениті магдебурзькі півкулі Отто фон Геріке продемонстрували, що абсолютно невидиме повітря чинить цілком відчутний тиск, який називають атмосферним.
Науковий підхід з того часу залишається незмінним: якщо не можна щось спостерігати безпосередньо, то треба вигадати експеримент, де щось невидиме взаємодіє з чимось видимим — тим, що люди можуть спостерігати та виміряти.
Проблема в тому, що з темною матерією все набагато складніше, ніж з невидимим повітрям: вона не світить, вона не має температури у звичному нам розумінні, ми не знаємо, з яких частинок вона складається (а якщо вона взагалі складається з частинок — то невідомо , як вони стикаються зі звичною нам матерією, тобто протонами, нейтронами, ядрами атомів та молекулами). Проте ми точно знаємо, що темна матерія має масу, а отже, вона бере участь у гравітаційній взаємодії. Її щільність дуже мала Землі і всередині Сонячної системи, де рух тіл визначається переважно гравітацією Сонця і планет-гігантів. Але ось астероїди та комети хмари Оорта вже зазнають її впливу, а отже, будь-які космічні кораблі, які в майбутньому відлетять від Землі на 30 тисяч астрономічних одиниць, повинні при навігації враховувати вплив темної матерії — навіть якщо на той час ми досі не будемо точно знати, що таке. У масштабах Чумацького Шляху, інших окремих галактик та їх скупчень темна матерія починає не просто виявлятися - вона стає однією з головних сил, що діють.
Будь-яке масивне тіло відхиляє світло, що проходить поряд з ним. Ще в 1919 році наукова експедиція Артура Еддінгтона в Західну Африку зафіксувала відхилення світла далеких зірок найпотужнішим тілом із доступних дослідникам на той момент Сонцем. ОТО передбачає відхилення світлових променів під дією гравітації (це називається гравітаційним лінзуванням), і як закони оптики дозволяють дізнатися параметри лінзи, якщо у нас є об'єкт та його відображення, так і рівняння ОТО дозволяють отримати параметри гравітаційної лінзи по спотвореному світлу далеких галактик.
Саме для цього потрібен «Евклід» — він фотографуватиме безліч далеких видимих галактик, і якщо між ними та Землею є згустки темної матерії, то видима форма цих галактик буде спотворена, ніби світло пройшло через кілька лінз, у випадковому порядку розставлених на нього. шляхи. Знаючи справжню форму далеких галактик, а також відстань до них, можна за допомогою ЗТО побудувати карту гравітаційного лінзування, тобто фактично 3D-карту або «томограму» Всесвіту. На неї будуть нанесені невидимі масивні ділянки гравітаційних лінз — тієї темної матерії.
Але як дізнатися справжню, неспотворену форму галактик, якщо до нас доходить лише світло, заломлене гравітаційним лінзуванням? Для кожної окремої галактики це неможливо, але якщо у вас є дані щодо мільйонів галактик, то на допомогу приходить статистика великих чисел. Можна математично розрахувати відхилення форми галактик від очікуваної геометрії та зробити висновок про наявність темної речовини.
А як «Евклід» вивчатиме темну енергію?
«Евклід» наноситиме на карту галактики та скупчення галактик, визначатиме відстань до них і, накопичивши достатньо статистики, з'ясує — чи збігаються розміри скупчень та відстань між галактиками в різні епохи з розрахунковими. Якщо ні, значить, ми чогось не знаємо про сили, які відповідають за зміну розмірів Всесвіту. У сучасній космології, що ґрунтується на рівняннях Ейнштейна, дія темної енергії вважається незмінною у всі часи. Фотографування видимих скупчень галактик дозволить виміряти лямбда-член для різних вікових груп Всесвіту і зрозуміти, чи змінюється він з часом. Тобто "Евклід" вивчатиме швидкість розширення Всесвіту, а значить і дія темної енергії. Одночасно ці спостереження стануть наймасштабнішим тестом загальної теорії відносності Ейнштейна.
Але телескопів на орбіті вже дуже багато — то навіщо потрібен ще один і в чому його унікальність?
Для успіху місії важливо сфотографувати мільярди галактик, що знаходяться за кілька мільярдів світлових років від нас, розкидані по небосхилу — і до того ж із максимальною якістю зйомки. З цим впорається лише «Евклід».
Всесвіт не завжди розширювався прискорено — лямбда-член із рівнянь ОТО почав грати помітну роль приблизно чотири мільярди років тому, коли галактики та скупчення галактик розлетілися досить далеко, щоб гравітація вже не могла протистояти дії темної енергії. Отже, щоб вивчити вплив темної енергії на розширення Всесвіту, потрібно дізнатися про розміри скупчень галактик протягом рівних проміжків часу до і після настання «епохи темної енергії». Таким чином, перша вимога до телескопа, що вивчає темну енергію, — це здатність чітко бачити галактики, розташовані за вісім мільярдів світлових років від нас.
Хаотично розкидані по космосу хмари темної матерії не будуть формувати красиві кратні зображення об'єктів або кільця, що світяться. Вони лише трохи спотворюватимуть форму галактики (для такого спотворення використовується спеціальний термін «слабке гравітаційне лінзування»). Тому для кожної хмари потрібно кілька спотворених зображень галактик, якими можна дізнатися масу темної матерії. Математично доведено, що для надійного картографування потрібно не менше 1,5 мільярда галактик, які мають бути розподілені великою ділянкою неба. Тобто замість потужного телескопа, який може побачити багато галактик на маленькому п'ятачку неба (для цього створені, наприклад, «Вебб» та «Хаббл»), потрібен телескоп, який зможе вивчити щонайменше третину небосхилу, тобто 15 тисяч квадратних градусів. Це ще одна ключова вимога до «Евкліду».
Навіть найкращі сучасні телескопи не можуть виконати завдання, пов'язані з цими двома вимогами. Так, наприклад, за 32 роки роботи телескоп «Хаббл» зробив 1,4 мільйона якісних та дуже потрібних для науки знімків (тут можна подивитися на те, як ці знімки розподілені по всьому небу), але сумарно покрив лише 330 квадратних градусів — «Евкліду для того ж завдання знадобиться від сили місяць. Такі "важкі" знімки вимагають серйозних інженерних рішень - його антени зможуть щодня передавати на Землю 850 гігабайт інформації, а вбудованій пам'яті вирішено встановити аж на чотири терабайти (наприклад, телескоп Уебба всього 68 гігабайт).
Але розміри знімка це ще не все. Зрештою, на Землі є достатня кількість ширококутних оглядових телескопів (наприклад, телескоп Віри Рубін, що будується). Характерні розміри геометричних спотворень галактик під впливом гравітаційного лінзування настільки малі, що з Землі їх розглянути: турбулентна земна атмосфера розмазує зображення. Вимога до якості знімків вплинула і на вибір оптичної схеми (тобто кількості та форми лінз, які використані у телескопі). Вибір упав на тридзеркальний телескоп Корша - він складається з трьох дзеркал різної геометрії, через які послідовно проходить промінь світла. Дзеркала прибирають усі три основні оптичні спотворення: сферичну аберацію, кому та астигматизм, — дозволяючи отримати чіткі ширококутні знімки.
Існуючі технології детекторів, розміри матриці, якість та розміри дзеркала, яке ESA може запустити в космос, визначають максимальні кутові розміри одного знімка – це 0,57 квадратного градуса (приблизно втричі більше кутових розмірів повного Місяця на нічному небі, в один знімок буде потрапляти 60 тисяч галактик). Акуратне фотографування 15 тисяч градусів (та сама необхідна третина неба), тестування, фокусування, усунення можливих несправностей, запас у часі на випадок необхідності щось перезняти — все це вимагатиме щонайменше шість років безперервної роботи. Саме на шість років роботи і розрахований «Евклід» (а за дбайливого витрачання 210 кілограмів газу, що використовується для орієнтації та маневрування, — і того довше).
З яких інструментів складається Евклід? По суті, це дві великі камери з неймовірними можливостями для зйомки Всесвіту (але не нашої Галактики).
Сам телескоп важить трохи більше двох тонн, розміри головного дзеркала — 1,2 метра, на борту розміщено два інструменти, які можуть працювати одночасно:
Інструмент видимого світла (Visible Instrument – VIS) – це камера для ширококутних знімків неба, зібрана з 36 CCD-чіпів, які разом утворюють матрицю розміром 610 мегапікселів. Для одного знімка потрібно 70 хвилин, за які робиться кілька окремих експозицій (у проміжку між ними телескоп трохи зміщується, щоб усунути невидимі поля в стиках між чіпами і в битих пікселях, які згодом неминуче з'являються в матрицях). Щоб отримати максимально чіткі зображення галактик, інженери вирішили не додавати до VIS різних оптичних фільтрів, які є у більшості телескопів: рух барабана з фільтрами може внести небажану вібрацію і трохи змастити зображення.
Спектрометр і фотометр ближнього інфрачервоного діапазону (Near Infrared Spectrometer and Photometer — NISP) працюватиме на більш довгих хвилях електромагнітного спектру, що особливо важливо для дослідження віддалених галактик, світло яких червоніє через ефект Доплера. Велика довжина хвилі потребує більшого за розміром пікселя, тому в камері NISP їх буде всього 64 мільйони — у 10 разів менше, ніж у VIS. Зате NISP має цілих три світлові фільтри, які потрібні для визначення «фотометричного червоного зміщення» — не дуже точного методу визначення відстані, який, проте, можна швидко застосовувати для сотень мільйонів галактик. Крім того, в цьому апараті розташований спектрометр — за його допомогою відстань вимірюється на порядок точніше, проте він підходить лише для досить яскравих об'єктів, тому «спектроскопічне червоне усунення» планується отримати лише для 50 мільйонів галактик.
Варто зазначити, що при проектуванні «Евкліда» інженерам ESA допоміг досвід розробки телескопа «Гайя», який досліджує зірки Чумацького Шляху, — вони призначені для докладного картографування неба, щоправда, в різних масштабах. Іноді можна зустріти фразу, що "Евклід" - це "Гайя" для вивчення Всесвіту.
Знімки, які зробить «Евклід», є ключовим, але далеко не єдиним компонентом його масштабної місії. Досить сказати, що на будівництво та запуск телескопа було витрачено лише 50% виділених на цей проект коштів. Одночасно на Землі ціла мережа телескопів ночами спостерігатиме ті ж галактики, що і «Евклід», щоб отримати їхні зображення в семи різних оптичних фільтрах (як ми вже зазначили, оптичний інструмент на борту «Евкліда» було вирішено будувати без фільтрів). Такий підхід допоможе не тільки уточнити відстань до різних галактик, але й дізнатися про їхні фізичні властивості: масу, розміри, швидкість появи нових зірок, кількість газу, пилу, водню та інші параметри. Спеціально побудовані дата-центри в різних містах Європи прийматимуть і оброблятимуть сирі знімки, що передаються на Землю, складатимуть і викладатимуть у відкритий доступ каталоги.
Окрім основної місії, «Евклід» напевно робитиме несподівані відкриття — у цьому й полягає краса науки
Гігантський обсяг даних, отриманий «Евклідом», будуть використовувати астрономи всієї Землі — в якій області астрономії вони не працювали. "Еквлід" виявить величезну кількість рідкісних галактик, які раніше виходило знаходити тільки по випадковості - або через те, що їх занадто мало, або тому, що вони занадто тьмяні (а іноді з обох причин).
Фактично "Евклід" просто знімає нічне небо, а значить, на зображення потрапляють не лише галактики. Наприклад, очікується, що на знімках виявиться до 100 тисяч об'єктів Сонячної системи - астероїдів та об'єктів пояса Койпера.
За межами Сонячної системи «Евклід» зможе відкривати нові екзопланети за допомогою ефекту мікролінзування (такий ефект відбувається при попаданні екзопланети на промінь, що з'єднує якусь далеку зірку та Землю). Крім того, стратегія спостереження «Евкліда» передбачає багаторазові знімки тих самих ділянок неба, а значить, будуть відкриті тисячі нових наднових і транзієнти (короткочасні події, що швидко і раптово з'являються на небі. До них відносять проліт метеорів та астероїдів, спалахи нових, наднових, гамма-спалахи тощо. Тривалість транзієнтів – від часток секунд до кількох років).
Якість знімків «Евкліда» дозволить легко відокремити старі холодні зірки Чумацького Шляху від наддалеких галактик (у звичайних телескопах і ті й інші видно як маленькі точки однакових кольорів), що дасть змогу вивчити розподіл таких зірок на околицях нашої Галактики.
Хоча це не стосується завдань «Евкліда», але, просто фотографуючи нічне небо, він зможе робити детальні знімки близьких галактик. Телескоп «Хаббл» через малого зору не може зробити знімок таких галактик за один раз і змушений складати мозаїку з окремих експозицій — це витрачає дорогоцінний час і призводить до неминучих спотворень. «Евклід» сфотографує сотні галактик у такій якості, що в них будуть помітні окремі зірки.
Ну і нарешті ніколи не можна запланувати всі відкриття — не було випадку, щоб новий потужний телескоп не знаходив щось нове і незаплановане. Все це дозволяє сказати, що запуск "Евкліда" - дійсно важливий крок у вивченні Всесвіту, а його дані стануть золотим стандартом позагалактичної астрономії на десятиліття вперед.
(Друкується з незначними скороченнями).
Вгорі: корпус телескопа "Евклід" під час випробувань на екстремально високу та низьку температуру. Фото: SYSPEO / SIPA / Scanpix / LETA
Переклад: «Аргумент»
На цю тему:
Если вы заметили ошибку, выделите ее мышкой и нажмите Ctrl+Enter.
Новини
- 20:00
- У вівторок в Україні буде хмарно, дощі на заході та Одещині, сніг у горах
- 19:48
- Чому все більше стартапів обирають DeFi для залучення капіталу?
- 18:05
- Різдвяне послання Патріарха Варфоломія вірним
- 17:02
- рф планує наступ на Херсон силами 4 тис військових
- 16:07
- Як Тімур Міндіч і Офіс президента заробляють на війні
- 15:21
- Майже половина українців згодні на вступ у НАТО без окупованих територій (ОПИТУВАННЯ)
- 14:58
- Безугла: Сирський хоче знищити DeepState, команду - "на м'ясо"
- 12:13
- 73% українців підтримують відновлення Україною ядерного арсеналу
- 10:52
- Суддівська мафія відправила у почесну відставку з довічними виплатами рекомендовану на звільнення суддю Ганну Андрієнко
- 09:00
- Київський картонно-паперовий комбінат: власник за чесну конкуренцію та захищеність споживачів від підробок
Важливо
ЯК ВЕСТИ ПАРТИЗАНСЬКУ ВІЙНУ НА ТИМЧАСОВО ОКУПОВАНИХ ТЕРИТОРІЯХ
Міністерство оборони закликало громадян вести партизанську боротьбу і спалювати тилові колони забезпечення з продовольством і боєприпасами на тимчасово окупованих російськими військами територіях.