|
Космический телескоп Euclid прольет свет на тьму
|
|
|
|
1 июля космический телескоп Euclid отправится в космическое пространство с важной миссией — найти новые подсказки о происхождении Вселенной. Исследователи UZH участвуют в научной подготовке и оценке миссии в рамках проекта, возглавляемого Европейским космическим агентством (ЕКА). Сияющие звезды, таинственные туманности и далекие галактики — изображения из космоса будоражат наше воображение и пробуждают фантазии о внеземной жизни. Но видимая материя, известная исследователям, на самом деле составляет лишь около 5% Вселенной; 95% Вселенной — это пресловутый черный ящик. Два невидимых фактора, называемые темной материей и темной энергией, влияют на расположение объектов в пространстве и расширение Вселенной.
|
|
|
|
Космический телескоп Euclid теперь готов пролить свет на тьму: 1 июля 2023 года он начнет свою миссию по регистрации на трехмерной карте крупномасштабной структуры галактик на расстоянии до 10 миллиардов световых лет от Земли. Исследователи надеются, что эта уникальная запись космической паутины расскажет больше о природе темной материи и темной энергии, а также о законах гравитации. «Темная материя — это материя, которая не излучает, не поглощает и не отражает свет», — объясняет Франческа Лепори, космолог из Центра теоретической астрофизики и космологии UZH. Поскольку он невидим, исследователям трудно его изучать. Но кажется очевидным, что здесь должно быть что-то еще: «Наблюдаемое расположение галактик не может быть объяснено общей теорией относительности — если только не будет больше массы, чем мы можем видеть», — говорит Лепори.
|
|
|
Единственный способ изучить темную материю — это ее взаимодействие с гравитационной силой. Таким образом, на борту Евклида есть инструмент, называемый VISible (VIS), который может отображать галактики с невероятной точностью. «По фотографиям мы будем измерять, насколько искаженными выглядят галактики», — объясняет Лепори. Это искажение происходит из-за эффекта, называемого гравитационным линзированием: масса, находящаяся между телескопом и наблюдаемой галактикой, отклоняет свет, как увеличительное стекло, из-за чего галактика за ней кажется искаженной. «Этот эффект даст нам информацию о том, сколько темной материи находится между Евклидом и наблюдаемой галактикой», — говорит космолог.
|
|
|
|
С 1998 года исследователи работают над еще одним невидимым явлением, которое не может быть объяснено общей теорией относительности Эйнштейна. Основываясь на измерениях взрывающихся чрезвычайно ярких звезд (сверхновых), две исследовательские группы обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется, как предполагалось ранее, а ускоряется. «Это ускорение началось около 5 миллиардов лет назад, — говорит Лепори. «Вы не ожидаете этого от обычной и темной материи. Мы приписываем причину ускоренного расширения экзотической форме энергии, называемой темной энергией».
|
|
|
|
Самое простое описание темной энергии, которое в настоящее время есть у исследователей, — это космологическая постоянная: она утверждает, что плотность темной энергии не меняется на протяжении всей эволюции космоса. Поскольку Евклид оглядывается на истоки Вселенной 10 миллиардов лет назад, наблюдая за очень далекими галактиками, исследователи могут выяснить, действительно ли темная энергия не изменилась с течением времени. Исследователи надеются получить более убедительные данные о расширении Вселенной и движущей ее темной энергии со второго прибора на борту Евклида. Это спектрометр и фотометр ближнего инфракрасного диапазона (NISP), с помощью которого исследователи могут оценить явление, называемое красным смещением. Подобно эффекту Доплера света, галактики, удаляющиеся от нас, кажутся «краснее», потому что принимаемая длина волны растягивается. «Чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется от Земли», — говорит Лепори. «Таким образом, по красному смещению мы можем определить расстояние до галактики и получить информацию о расширении Вселенной».
|
|
|
|
Однако Лепори еще не готов принять простую модель космологической постоянной. «Я надеюсь, что Евклид даст нам что-то новое», — говорит она. «Например, изменилась ли плотность темной энергии в ходе эволюции Вселенной». Евклид мог также дать ключ к разгадке общей теории относительности Эйнштейна. «Законы гравитации работают только в огромных масштабах, если мы вводим темные компоненты», — объясняет Лепори. Но, говорит она, также возможно, что в космическом масштабе общая теория относительности еще неверна. «Исследователи разработали множество сложных моделей модифицированных теорий гравитации», — говорит Лепори. «Но теперь нам нужны наблюдения Евклида, чтобы указать нам правильное направление». Лепори и девять других исследователей UZH участвуют в научной оценке космической миссии. Более 2600 исследователей из 100 институтов Европы, США, Канады и Японии входят в консорциум ЕКА Euclid. Они работают над широким кругом вопросов, от определения научных целей и создания измерительных приборов до анализа и оценки данных.
|
|
|
|
«В составе Рабочей группы по теории я изучаю, какие эффекты общей теории относительности являются центральными для Евклида и должны учитываться при анализе», — говорит Лепори о своей роли. Она является постдокторантом под руководством профессора SNSF-Eccellenza Джулиана Адамека, который вносит свой вклад в миссию Евклида своим численным моделированием. Адамек разработал код, который воспроизводит трехмерное распределение материи в соответствии с общей теорией относительности, а также в соответствии с модифицированными теориями гравитации. Исследователи UZH участвуют и в других направлениях. Моделирование, проведенное компьютерным космологом UZH Иоахимом Штаделем и специалистом по высокопроизводительным вычислениям Дугом Поттером, нанесло на карту все галактики, которые потенциально мог наблюдать Евклид. Помимо прочего, он используется для проверки того, насколько хорошо инструменты анализа справляются с огромными объемами данных. Тем временем профессор астрофизики Аурел Шнайдер просматривает различные сценарии темной материи и исследует, какое влияние они оказывают на космологические наблюдения. Дальнейший вклад в консорциум Euclid внесли исследователи UZH Джованни Арико, Джеппе Мосгаард Дакин, Себастьян Шульц, Йозеф Буко и Джайюль Ю.
|
|
|
|
Когда в июле Евклид отправится в космос, работа исследователей УЗХ сразу не изменится. В дополнение к изучению того, что можно узнать из Евклида, в настоящее время они работают над методологией и инструментами для обработки и анализа данных Евклида. «Как только к нам поступит первый пакет данных, мы полностью сосредоточимся на его анализе», — говорит Лепори. Первые изображения с Евклида ожидаются к концу года. В настоящее время наилучшей доказанной моделью происхождения Вселенной является теория Большого взрыва. Он описывает развитие Вселенной после Большого Взрыва 13,7 миллиардов лет назад, когда возникли материя, пространство и время. «Большой взрыв — это не обязательно начало Вселенной, но момент времени, до которого мы ничего не можем сказать с научной точки зрения, потому что он недоступен нашему наблюдению», — объясняет космолог Франческа Лепори.
|
|
|
|
На первом этапе после Большого взрыва Вселенная быстро расширялась. В этот момент она состояла из почти однородной плазмы элементарных частиц. Только когда Вселенная все больше и больше охлаждалась, образовались первые атомы и фотоны смогли отщепиться. Затем последовали так называемые «темные века», когда еще не было ни галактик, ни видимых источников света. Примерно через 200 миллионов лет после Большого взрыва начали формироваться звезды и галактики. Под действием силы гравитации отдельные галактики все больше образовывали крупномасштабную структуру, напоминающую сеть узлов и связей — поэтому ее еще называют космической паутиной. Между ними есть почти нематериальные области, известные как пустоты. Фаза, когда сформировалась космическая паутина, называется фазой Вселенной, в которой доминирует материя, потому что она управлялась гравитацией и темной материей. Однако через 5 миллиардов лет после Большого взрыва динамика Вселенной изменилась: вместо дальнейшего замедления расширение Вселенной сегодня все еще ускоряется. Исследователи объясняют это тем, что сейчас в расширении доминирует темная энергия.
|
|
|
|
Источник
|
