|
Стремление понять природу темной материи и темной энергии
|
|
|
|
1 июля 2023 года с мыса Канаверал был запущен уникальный европейский космический телескоп "Евклид". Запуск, несомненно, стал самым ярким событием в моей карьере астронома, но наблюдать за результатом многолетней работы на ракете - занятие не для слабонервных. После безупречного запуска Euclid быстро вышел на запланированную орбиту, расположенную примерно в 1,5 миллионах километров от Земли. С этой удаленной точки обзора аппарат начал передавать четкие изображения, которые к концу этого десятилетия покроют почти треть неба. Евклид - это следующий большой шаг вперед в нашем стремлении понять Вселенную. За прошедшее столетие мы добились огромного прогресса. Мы узнали, что слияние водорода с гелием приводит в движение звезды, подобные нашему солнцу, в то время как большинство атомов в наших телах образовались в ядрах звезд, которые с тех пор взорвались. Мы обнаружили, что эта галактика - одна из многих галактик, в которых прослеживаются огромные пенообразные структуры, пронизывающие космос. Теперь мы знаем, что Вселенная возникла около 13,6 миллиардов лет назад в результате "Большого взрыва" и с тех пор продолжает расширяться.
|
|
|
|
Это важные достижения, но по мере того, как мы узнавали больше, становилось ясно, что мы многого не понимаем. Например, считается, что большая часть массы - это "темная материя", новая форма материи, которая не объясняется в других отношениях весьма успешной стандартной моделью физики элементарных частиц. Гравитационное притяжение всей этой материи должно замедлять расширение Вселенной, но около 25 лет назад мы обнаружили, что на самом деле оно ускоряется. Для этого требуется еще более загадочный компонент. Чтобы отразить наше невежество — на сегодняшний день не существует убедительного 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 знаем точно, так это то, что оба темных компонента влияют на формирование крупных структур. Гравитация темной материи помогает собирать материю в галактики или даже более крупные объекты. Напротив, темная энергия расталкивает объекты, эффективно противодействуя гравитационному притяжению. Баланс между ними меняется по мере расширения Вселенной, и темная энергия становится все более доминирующей.
|
|
|
Детали зависят от природы темных компонентов, а сравнение с наблюдениями позволяет нам различать различные теории. Это главная причина, по которой был запущен Euclid. Это позволит составить карту того, как распределяется материя и как она эволюционировала с течением времени. Эти измерения могут дать столь необходимые рекомендации, которые приведут к лучшему пониманию темной стороны Вселенной. Но как мы можем изучать распределение материи, если большая ее часть - невидимая темная материя? К счастью, природа предусмотрела удобный способ продвижения вперед: общая теория относительности Эйнштейна говорит нам, что материя искривляет пространство вокруг себя. Скопления темной материи обнаруживают свое присутствие, искажая очертания более отдаленных галактик, подобно тому, как волны на поверхности плавательного бассейна искажают рисунок плиток на дне. Учитывая сходство с обычными оптическими линзами — физика отличается, но математика та же — искривление световых лучей веществом называется гравитационным линзированием. В редких случаях искривление настолько сильно, что можно наблюдать несколько изображений одной и той же галактики. Однако в большинстве случаев этот эффект более незаметен и лишь незначительно меняет очертания далеких галактик. Тем не менее, если мы проведем средние измерения для большого числа галактик, мы сможем выявить закономерности в их ориентации, которые были зафиксированы в результате распределения вещества, как обычного, так и темного.
|
|
|
|
Этот сигнал "слабого линзирования", возможно, и не столь впечатляющ, но он дает нам прямой способ составить карту распределения вещества 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 сложными. Турбулентность в атмосфере затуманивает наше представление о слабых, маленьких, удаленных галактиках, которые мы хотим использовать, в то время как несовершенства оптики телескопа неизбежно меняют наблюдаемые формы галактик. Поэтому астрономическое сообщество скептически отнеслось к технической осуществимости этого проекта. Именно в такой ситуации я защитил докторскую диссертацию в 1995 году, когда отправился в путешествие, чтобы доказать их неправоту. С годами, используя все большие массивы данных, собранных с помощью наземных телескопов, мы обнаружили и решили новые проблемы. Основываясь на наблюдениях с космического телескопа Хаббл, запущенного в 1990 году, в моей дипломной работе уже было показано, что частичное измерение форм из космоса намного проще. Однако до появления "Евклида" космические телескопы могли наблюдать только крошечные участки неба: космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), запущенный в 2021 году, видит на расстоянии вытянутой руки расстояние, эквивалентное песчинке.
|
|
|
|
Однако, чтобы по-настоящему проверить природу темной энергии, нам нужно охватить в 6 миллионов раз большую площадь. Именно это привело к созданию уникального телескопа Euclid, предназначенного для получения четких изображений 1,5 миллиардов галактик, а также информации о расстояниях до них. Как показано на рисунке 2, на одном снимке мы наблюдаем область, превышающую площадь полной Луны. Эти данные дополняются точными расстояниями примерно для 25 миллионов галактик, что позволяет составить подробную карту распределения удаленных галактик. Когда я начинал свой путь в этой области исследований, темная энергия еще не была открыта, и мало кто верил, что слабое линзирование станет важным инструментом для изучения распределения материи. Как все изменилось. Запуск Euclid, пожалуй, является наиболее впечатляющей демонстрацией этого. С 2011 года, когда Европейское космическое агентство (ЕКА) все еще рассматривало этот проект как часть своей программы Cosmic Vision, я был одним из координаторов по космологии Euclid. Это означает, что я отвечал за определение основных характеристик миссии, в частности, тех, которые относятся к слабому гравитационному линзированию. Это включало в себя определение того, насколько четкими должны быть изображения и насколько точно нам нужно измерить форму галактик.
|
|
|
|
Работа также включала в себя частое взаимодействие с Европейским космическим агентством (ЕКА) для уточнения научных целей и выяснения того, как использовать новые идеи. Благодаря кропотливой работе большой команды инженеров и ученых нам удалось преодолеть множество технических препятствий. Мы продолжали наше сотрудничество во время пандемии, но потеряли проектируемую ракету из—за российского вторжения в Украину - запуск "Евклида" планировался на ракете "Союз". Примечательно, что ЕКА быстро нашло решение: запуск ракеты-носителя Falcon 9 компанией SpaceX. В результате я оказался во Флориде и стал свидетелем того, что, возможно, стало кульминацией всех моих исследований на данный момент. С тех пор это было похоже на катание на американских горках. Первые снимки, сделанные в июле, были более шумными, чем ожидалось, из-за солнечного света, который попадал в камеру. Это могло бы стать серьезной проблемой, но наиболее вероятный виновник — выступающий двигатель, который отражал солнечный свет на обратную сторону солнцезащитного козырька, — был быстро идентифицирован, как и решение. Слегка повернув космический аппарат, можно было поместить двигатель в тень спутника. Это, однако, означало полный пересмотр планирования обследования.
|
|
|
|
На этом проблемы не закончились. Солнечное излучение постоянно немного смещает Euclid, что компенсируется с помощью двигателей, которые обеспечивают полную стабильность телескопа. Только тогда мы сможем сделать необходимые четкие снимки. Однако энергичные частицы от Солнца воздействовали на стабилизирующую систему, вызывая небольшую тряску телескопа. Это было решено с помощью обновления программного обеспечения. Совсем недавно беспокойство вызывало скопление льда внутри телескопа, но эта проблема также была успешно решена. Чтобы дать миру представление о его потенциале, в ноябре было опубликовано несколько "ранних наблюдений" за фотогеничными объектами. Наиболее близкий к моему исследованию объект - скопление галактик Персей. В дополнение к крупным желтоватым галактикам, которые являются частью этого массивного скопления материи, Euclid предоставляет подробные изображения еще 50 000 галактик. Такой уровень детализации - это то, что мне нужно для моего исследования, но пока у меня есть только 800 из 25 000 таких изображений! Это началось: 15 февраля 2024 года Euclid приступил к своей основной съемке, и в течение следующих 2200 дней он будет продолжать фотографировать небо. Этот огромный объем данных станет настоящей сокровищницей для астрономов — и всего мира — на долгие годы. Например, мы можем детально изучить структуру сотен близлежащих галактик, таких как IC 342. Эти изображения - всего лишь намек на то, что принесет будущее.
|
|
|
|
Источник
|
