Evklíð geimsjónaukinn byrjar að kortleggja alheiminn til að rannsaka hulduefni og hulduorku í október 2023
Laugardaginn 1. júlí 2023 var Evklíð geimsjónauka ESA skotið á loft frá Canaveralhöfða í Flórída. Sjónaukinn á að kanna hinn „hulda alheim“ með því kortleggja milljarða vetrarbrauta í allt að tíu milljarða ljósára fjarlægð á svæði sem þekur þriðjung himinhvolfsins. Gögnin eiga að hjálpa okkur að skilja betur eðli tveggja dularfyllstu orku- og efnisþátta alheimsins: Hulduefnis, sem heldur vetrarbrautum saman, og hulduorku sem veldur sívaxandi útþenslu alheimsins.
Evklíð er 1,2 metra breiður spegilsjónauki og er nefndur eftir gríska rúmfræðingnum Evklíð. Sjónaukinn var smíðaður í Evrópu en fluttur með skipi frá Ítalíu til Flórída þar sem honum var skotið á loft með Falcon 9 eldflaug SpaceX.
Upphaflega stóð til að skjóta Evklíð á loft með rússneskri Soyuz eldflaug. Eftir innrás Rússa í Úkraínu slitnaði upp úr samstarfinu við Rússa og leitaði ESA til SpaceX í staðinn.
Áfangastaður Evklíðs er Lagrange-punktur 2 í 1,5 milljón km fjarlægð frá Jörðinni, á sama svæði og James Webb geimsjónaukinn og fleiri sjónaukar dvelja. Evklíð kemur á áfangastað fjórum vikum eftir geimskot en mælingar hefjast ekki fyrr en búið er að kæla, stilla og prófa sjónaukann. Það ferli tekur um þrjá mánuði.
Alheimurinn í þrívídd
Evklíð sjónaukinn er allt annars eðlis en frændi hans James Webb. Á meðan Webb getur rannsakað fjarlæg fyrirbæri af ótrúlegri nákvæmni er Evklíð hannaður til að kortleggja alheiminn í þrívídd með einstaklega víðu sjónsviði.
Í sjónaukanum eru tvö mælitæki: Annars vegar myndavél sem nemur sýnilegt ljós (VIS) og tekur myndir af milljörðum vetrarbrauta allt að tíu milljarða ljósára í burtu og hins vegar nær-innrauður litrófsriti og ljósmælir (NISP) sem mælir birtu vetrarbrautanna og rauðvikið sem gefur fjarlægðina.
Mælitækin tvö eru kæld niður í -120°C (VIS) og -180°C (NISP). Á sjónaukanum er sólhlíf sem kemur í veg fyrir að ljós frá Jörðinni, sólinni og tunglinu berist í sjónaukann á meðan mælingum stendur.
Evklíð á að skanna 36% af himninum og forðast þéttari svæði þar sem stjörnur og gas í Vetrarbrautinni okkar byrgja sýn. Á aðeins tveimur dögum kortleggur sjónaukinn jafn stóran hluta himins og Hubble geimsjónaukinn hefur gert á þremur áratugum.
Gagnasafnið verður sannkölluð gullnáma fyrir stjarnvísindafólk og mun leiða í ljós ný fyrirbæri fyrir Webb, Hubble og fleiri sjónauka eiga að rannsaka nánar.
Hvað á Evklíð að rannsaka?
Gögn Evklíðs verða notuð til að útbúa stærsta og nákvæmasta þrívíða kortið af alheiminum til þessa. Vonast er til að kortlagningin hjálpi okkur að skilja betur þróun alheimsins, hlutverk þyngdarkraftsins og eðli hulduorku og hulduefnis.
Árið 1929 uppgötvaði Edwin Hubble að alheimurinn er að þenjast út. Stjarneðlisfræðingar bjuggust við að þyngdarkrafturinn frá öllu efninu í alheiminum myndi smám saman hægja á útþenslunni en annað kom á daginn.
Árið 1999 birtu þrír rannsóknarhópar mælingar sínar á útþenslunni. Í ljós kom að fyrir um 6 milljörðum ára byrjaði útþenslan að aukast, þ.e. verða hraðari. Hvernig gat það verið?
Stjarnvísindamenn hafa komist að því að um 95% af efnismassa og orkuinnihaldi alheimsins er ósýnileg. Aðeins 5% af alheiminum er venjulegt sýnilegt efni (þungeindaefni, e. baryonic matter) sem við sjálf, stjörnur og plánetur erum búin til úr.
Hulduefni telur um það bil 27% af efnainnihaldi alheimsins. Hulduefni virðist einhvers konar ósýnilegur massi sem víxlverkar ekki við ljós og er því ósýnilegt. Það virðist hins vegar meginuppistaða massa í vetrarbrautum sem myndu sundrast án þess.
Hulduorka telur um 68% af orku alheimsins. Hulduorkan virðist knýja sívaxandi útþensluhraða alheimsins en við vitum hvorki hvernig né hvers vegna.
Með því að kortleggja rúmlega þriðjung himins og síðustu tíu milljarða ára af sögu alheimsins – frá þeim tíma þegar flestar stjörnur voru að myndast til dagsins í dag, 13,8 milljörðum ára eftir Miklahvell – vonast stjarneðlisfræðingar til að gögn Evklíðs hjálpi okkur að sjá breytingar á útþensluhraðanum með meiri nákvæmni en áður.
Mælingar á veikum linsuhrifum
Efni í geimnum (bæði sýnilegt efni og hulduefni) í sömu sjónlínu frá okkur og fjarlægari fyrirbæri fyrir aftan virkar eins og stækkunargler sem beygir, bjagar og magnar upp ljós. Ástæðan er sú að massi sveigir tímarúmið eins og Einstein lýsti og eru áhrifin kölluð þyngdarlinsur. Því meiri sem massinn er, þeim mun meiri verða linsuhrifin. Til eru bæði sterk og veik linsuhrif en þau síðarnefndu eru mun óljósari og sjást aðeins ef mikill fjöldi linsulinda er skoðaður á tölfræðilegan hátt.
Evklíð á að mæla bjögunina sem veiku linsuhrifin valda og hjálpa okkur þannig að kortleggja dreifingu hulduefnis í alheiminum. Það gefur vísbendingar um útþensluhraða alheimsins því þyngdartog hulduefnis virkar eins og lím sem heldur vetrarbrautum og vetrarbrautaþyrpingum saman og vinnur á móti útþenslunni.
Kortið sem þá verður til sýnir hvernig efni og vetrarbrautir dreifast í þróunarsögu alheimsins og hjálpar okkur um leið að skilja betur hulduorku sem hefur áhrif á þróun stórgerðar alheimsins, þ.e.a.s. þróun „netsins“ sem vetrarbrautirnar liggja eftir.
Þegar við horfum á alheiminn á sem stærstum stærðarskölum sést að efni, þar á meðal vetrarbrautir og vetrarbrautaþyrpingar, fylgir dreifingu sem minnir mikið á köngulóarvef eða tengingar taugafrumna í heila – það má segja að þetta sé hinn upprunalegi veraldarvefur.
Mælingar á þungeindahljóðsveiflum
Fyrstu 380 þúsund árin eftir Miklahvell var alheimurinn ógegnsæ, sjóðandi efnissúpa úr hulduefni, venjulegu efni og ljóseindum sem kalla mætti frumplasma eða frumrafgas. Þetta frumplasma var misþétt og því dreifðust þrýstibylgjur (hljóðbylgjur) eins og gárur um alheiminn.
Evklíð á að kanna þessar þungeindahljóðsveiflur (baryonic acoustic oscillations) sem líkja mætti við bergmál sem er frosið í efnisdreifingu alheimsins. Aðeins fleiri vetrarbrautir þyrptust saman þar sem gárurnar eða öldurnar voru því þar var efnið aðeins þéttara.
Þrýstibylgjur (hljóðbylgjur) berast eins og gárur í frumplasmanu um alheiminn. Mynd: NASA Goddard Space Flight Center
Gárurnar stækkuðu þegar alheimurinn þandist út og jók bilið á milli vetrarbrauta. Evklíð á að rannsaka dreifingu vetrarbrauta í tíma og rúmi og draga þannig fram gárurnar og mæla stærðir þeirra sem aftur gefur okkur vísbendingar um útþensluhraðann.
Hljóðbylgjurnar í frumplasmanum mörkuðu spor sín í uppröðun vetrarbrauta í alheimum. Útþenslan veldur því að bilið á milli þeirra vex með tímanum. Mynd: NASA Goddard Space Flight Center
Hvað svo?
Evklíð er ekki eini fyrirhugaði sjónaukinn sem varpa á ljósi á hulduorku og hulduefni. Árið 2025 verður Vera C. Rubin sjónaukinn tekinn í notkun í Chile og árið 2026 fyrirhugar NASA að senda á loft Nancy Grace Roman geimsjónaukann, ef fjárveitingar fást til.
Evklíð og Nancy Grace Roman geimsjónaukarnir. Mynd: NASA Goddard Space Flight Center og ESA/ATG medialab
Sjónaukarnir þrír kanna mismunandi hluta af himninum á mismunandi bylgjulengdum. Nancy Grace Roman sjónaukinn er stærri en Evklíð og sér því lengra út í alheiminn en kannar hins vegar smærra svæði á himinhvolfinu.
Vera Rubin sjónaukinn er á Jörðu niðri og sér því ekki jafn langt og hinir tveir en nær að mæla stærra svæði á himinhvolfinu. Mælingar allra sjónaukanna þriggja skarast sem þýðir að stjarneðlisfræðingar fá enn nákvæmari mynd af áhrifum hulduefnisins og útþenslu alheimsins á mismunandi tímum í sögu alheimsins.
Evklíð geimsjónauki ESA rannsakar hinn hulda alheim
Sævar Helgi Bragason 30. jún. 2023 Fréttir
Evklíð geimsjónaukinn byrjar að kortleggja alheiminn til að rannsaka hulduefni og hulduorku í október 2023
Laugardaginn 1. júlí 2023 var Evklíð geimsjónauka ESA skotið á loft frá Canaveralhöfða í Flórída. Sjónaukinn á að kanna hinn „hulda alheim“ með því kortleggja milljarða vetrarbrauta í allt að tíu milljarða ljósára fjarlægð á svæði sem þekur þriðjung himinhvolfsins. Gögnin eiga að hjálpa okkur að skilja betur eðli tveggja dularfyllstu orku- og efnisþátta alheimsins: Hulduefnis, sem heldur vetrarbrautum saman, og hulduorku sem veldur sívaxandi útþenslu alheimsins.
Evklíð er 1,2 metra breiður spegilsjónauki og er nefndur eftir gríska rúmfræðingnum Evklíð. Sjónaukinn var smíðaður í Evrópu en fluttur með skipi frá Ítalíu til Flórída þar sem honum var skotið á loft með Falcon 9 eldflaug SpaceX.
Upphaflega stóð til að skjóta Evklíð á loft með rússneskri Soyuz eldflaug. Eftir innrás Rússa í Úkraínu slitnaði upp úr samstarfinu við Rússa og leitaði ESA til SpaceX í staðinn.
Áfangastaður Evklíðs er Lagrange-punktur 2 í 1,5 milljón km fjarlægð frá Jörðinni, á sama svæði og James Webb geimsjónaukinn og fleiri sjónaukar dvelja. Evklíð kemur á áfangastað fjórum vikum eftir geimskot en mælingar hefjast ekki fyrr en búið er að kæla, stilla og prófa sjónaukann. Það ferli tekur um þrjá mánuði.
Alheimurinn í þrívídd
Evklíð sjónaukinn er allt annars eðlis en frændi hans James Webb. Á meðan Webb getur rannsakað fjarlæg fyrirbæri af ótrúlegri nákvæmni er Evklíð hannaður til að kortleggja alheiminn í þrívídd með einstaklega víðu sjónsviði.
Í sjónaukanum eru tvö mælitæki: Annars vegar myndavél sem nemur sýnilegt ljós (VIS) og tekur myndir af milljörðum vetrarbrauta allt að tíu milljarða ljósára í burtu og hins vegar nær-innrauður litrófsriti og ljósmælir (NISP) sem mælir birtu vetrarbrautanna og rauðvikið sem gefur fjarlægðina.
Mælitækin tvö eru kæld niður í -120°C (VIS) og -180°C (NISP). Á sjónaukanum er sólhlíf sem kemur í veg fyrir að ljós frá Jörðinni, sólinni og tunglinu berist í sjónaukann á meðan mælingum stendur.
Evklíð á að skanna 36% af himninum og forðast þéttari svæði þar sem stjörnur og gas í Vetrarbrautinni okkar byrgja sýn. Á aðeins tveimur dögum kortleggur sjónaukinn jafn stóran hluta himins og Hubble geimsjónaukinn hefur gert á þremur áratugum.
Gagnasafnið verður sannkölluð gullnáma fyrir stjarnvísindafólk og mun leiða í ljós ný fyrirbæri fyrir Webb, Hubble og fleiri sjónauka eiga að rannsaka nánar.
Hvað á Evklíð að rannsaka?
Gögn Evklíðs verða notuð til að útbúa stærsta og nákvæmasta þrívíða kortið af alheiminum til þessa. Vonast er til að kortlagningin hjálpi okkur að skilja betur þróun alheimsins, hlutverk þyngdarkraftsins og eðli hulduorku og hulduefnis.
Árið 1929 uppgötvaði Edwin Hubble að alheimurinn er að þenjast út. Stjarneðlisfræðingar bjuggust við að þyngdarkrafturinn frá öllu efninu í alheiminum myndi smám saman hægja á útþenslunni en annað kom á daginn.
Árið 1999 birtu þrír rannsóknarhópar mælingar sínar á útþenslunni. Í ljós kom að fyrir um 6 milljörðum ára byrjaði útþenslan að aukast, þ.e. verða hraðari. Hvernig gat það verið?
Stjarnvísindamenn hafa komist að því að um 95% af efnismassa og orkuinnihaldi alheimsins er ósýnileg. Aðeins 5% af alheiminum er venjulegt sýnilegt efni (þungeindaefni, e. baryonic matter) sem við sjálf, stjörnur og plánetur erum búin til úr.
Hulduefni telur um það bil 27% af efnainnihaldi alheimsins. Hulduefni virðist einhvers konar ósýnilegur massi sem víxlverkar ekki við ljós og er því ósýnilegt. Það virðist hins vegar meginuppistaða massa í vetrarbrautum sem myndu sundrast án þess.
Hulduorka telur um 68% af orku alheimsins. Hulduorkan virðist knýja sívaxandi útþensluhraða alheimsins en við vitum hvorki hvernig né hvers vegna.
Með því að kortleggja rúmlega þriðjung himins og síðustu tíu milljarða ára af sögu alheimsins – frá þeim tíma þegar flestar stjörnur voru að myndast til dagsins í dag, 13,8 milljörðum ára eftir Miklahvell – vonast stjarneðlisfræðingar til að gögn Evklíðs hjálpi okkur að sjá breytingar á útþensluhraðanum með meiri nákvæmni en áður.
Mælingar á veikum linsuhrifum
Efni í geimnum (bæði sýnilegt efni og hulduefni) í sömu sjónlínu frá okkur og fjarlægari fyrirbæri fyrir aftan virkar eins og stækkunargler sem beygir, bjagar og magnar upp ljós. Ástæðan er sú að massi sveigir tímarúmið eins og Einstein lýsti og eru áhrifin kölluð þyngdarlinsur. Því meiri sem massinn er, þeim mun meiri verða linsuhrifin. Til eru bæði sterk og veik linsuhrif en þau síðarnefndu eru mun óljósari og sjást aðeins ef mikill fjöldi linsulinda er skoðaður á tölfræðilegan hátt.
Evklíð á að mæla bjögunina sem veiku linsuhrifin valda og hjálpa okkur þannig að kortleggja dreifingu hulduefnis í alheiminum. Það gefur vísbendingar um útþensluhraða alheimsins því þyngdartog hulduefnis virkar eins og lím sem heldur vetrarbrautum og vetrarbrautaþyrpingum saman og vinnur á móti útþenslunni.
Kortið sem þá verður til sýnir hvernig efni og vetrarbrautir dreifast í þróunarsögu alheimsins og hjálpar okkur um leið að skilja betur hulduorku sem hefur áhrif á þróun stórgerðar alheimsins, þ.e.a.s. þróun „netsins“ sem vetrarbrautirnar liggja eftir.
Þegar við horfum á alheiminn á sem stærstum stærðarskölum sést að efni, þar á meðal vetrarbrautir og vetrarbrautaþyrpingar, fylgir dreifingu sem minnir mikið á köngulóarvef eða tengingar taugafrumna í heila – það má segja að þetta sé hinn upprunalegi veraldarvefur.
Mælingar á þungeindahljóðsveiflum
Fyrstu 380 þúsund árin eftir Miklahvell var alheimurinn ógegnsæ, sjóðandi efnissúpa úr hulduefni, venjulegu efni og ljóseindum sem kalla mætti frumplasma eða frumrafgas. Þetta frumplasma var misþétt og því dreifðust þrýstibylgjur (hljóðbylgjur) eins og gárur um alheiminn.
Evklíð á að kanna þessar þungeindahljóðsveiflur (baryonic acoustic oscillations) sem líkja mætti við bergmál sem er frosið í efnisdreifingu alheimsins. Aðeins fleiri vetrarbrautir þyrptust saman þar sem gárurnar eða öldurnar voru því þar var efnið aðeins þéttara.
Þrýstibylgjur (hljóðbylgjur) berast eins og gárur í frumplasmanu um alheiminn. Mynd: NASA Goddard Space Flight Center
Gárurnar stækkuðu þegar alheimurinn þandist út og jók bilið á milli vetrarbrauta. Evklíð á að rannsaka dreifingu vetrarbrauta í tíma og rúmi og draga þannig fram gárurnar og mæla stærðir þeirra sem aftur gefur okkur vísbendingar um útþensluhraðann.
Hljóðbylgjurnar í frumplasmanum mörkuðu spor sín í uppröðun vetrarbrauta í alheimum. Útþenslan veldur því að bilið á milli þeirra vex með tímanum. Mynd: NASA Goddard Space Flight Center
Hvað svo?
Evklíð er ekki eini fyrirhugaði sjónaukinn sem varpa á ljósi á hulduorku og hulduefni. Árið 2025 verður Vera C. Rubin sjónaukinn tekinn í notkun í Chile og árið 2026 fyrirhugar NASA að senda á loft Nancy Grace Roman geimsjónaukann, ef fjárveitingar fást til.
Evklíð og Nancy Grace Roman geimsjónaukarnir. Mynd: NASA Goddard Space Flight Center og ESA/ATG medialab
Sjónaukarnir þrír kanna mismunandi hluta af himninum á mismunandi bylgjulengdum. Nancy Grace Roman sjónaukinn er stærri en Evklíð og sér því lengra út í alheiminn en kannar hins vegar smærra svæði á himinhvolfinu.
Vera Rubin sjónaukinn er á Jörðu niðri og sér því ekki jafn langt og hinir tveir en nær að mæla stærra svæði á himinhvolfinu. Mælingar allra sjónaukanna þriggja skarast sem þýðir að stjarneðlisfræðingar fá enn nákvæmari mynd af áhrifum hulduefnisins og útþenslu alheimsins á mismunandi tímum í sögu alheimsins.