Ciemna misja Euklidesa. Co widać przez nowy kosmiczny teleskop?

Do słynnego teleskopu Jamesa Webba dołączył w 2023 roku w przestrzeni kosmicznej teleskop Euclid. Jego zadaniem jest rozwikłanie zagadki ciemnej materii i ciemnej energii.

20.12.2023

Czyta się kilka minut

Mgławica Koński Łeb (Horsehead Nebula) - pierwsze zdjęcie wykonane przez teleskop Euclid / fot. ESA / materiały prasowe
Mgławica Koński Łeb (Horsehead Nebula) - pierwsze zdjęcie wykonane przez teleskop Euclid / fot. ESA / materiały prasowe

Jest takie miejsce we wszechświecie, półtora miliona kilometrów stąd, zimne, puste i ciemne, gdzie ludzkość wysyła swoje najnowsze wynalazki. W kosmicznej ciszy, czterokrotnie dalej niż Księżyc, z dala od szumu Ziemi, można zawisnąć w przestrzeni i wpatrując się w czerń kosmicznej pustki, starać się zrozumieć wszechświat. Od prawie dwóch lat znajduje się tam słynny teleskop Jamesa Webba. To ten, który zachwyca nas zdjęciami odległych galaktyk. Towarzyszy mu sonda kosmiczna Gaia. Jej celem jest zmierzenie położenia miliarda gwiazd w naszej galaktyce. W wakacje zawitał tam trzeci podróżnik: teleskop Euclid.

Problem trzech ciał

Czemu te instrumenty wysyłamy właśnie tam? To kosmiczne miejsce równowagi sił, które umożliwia zajmowanie prawie stałej odległości względem centrum Ziemi w ruchu postępowym wokół Słońca. Zostało ono odkryte w połowie XVIII w., na długo przed tym, zanim pierwszy samolot braci Wright wzniósł się w powietrze i pierwsza rakieta przebiła atmosferę Ziemi. Dokonał tego, za pomocą pióra i kartki, matematyk Leonhard Euler. Dwadzieścia lat później dokładniejszą analizę tzw. zredukowanego problemu ruchu trzech ciał (Słońce, Ziemia i lekki trzeci obiekt, kręcące się w grawitacyjnym tangu) przeprowadził Joseph-Louis Lagrange. Obecnie miejsce to określane jest mianem punktu L2 Lagrange’a. Wraz z Ziemią porusza się wokół Słońca, zajmując pozycję na linii wyznaczonej przez środek Słońca i Ziemi. Analiza pełnego zagadnienia trzech ciał przeprowadzona przez Henri Poincarégo, ponad sto lat po odkryciach Eulera i Lagrange’a, doprowadziła do rewolucji w naszym rozumieniu determinizmu. Echo tej odległej już rewolucji przedarło się ze świata nauki do świata literatury i można je dostrzec np. w opowiadaniu „Katedra” Jacka Dukaja czy też zekranizowanej niedawno powieści science fiction „Problem trzech ciał” Cixina Liu.

Teleskop Jamesa Webba, sonda Gaia i teleskop Euclid nie znajdują się dokładnie w punkcie L2. We wspólnym tańcu zakreślają w przestrzeni skomplikowane matematyczne krzywe, okrążając ten punkt. W ten sposób unikają kolizji. Zadanie, jakie stoi przed co najmniej sześcioletnią misją teleskopu Euclid, jest bardzo trudne: zbadać to, czego z definicji zobaczyć nie można – ciemną energię i ciemną materię. Zanim opowiemy, w jaki sposób Euclid zamierza wykonać swoje herkulesowe zadanie, przyjrzyjmy się specyfikacji technicznej misji.

Powtórka z geometrii

Teleskop Euclid został nazwany na cześć greckiego matematyka Euklidesa z Aleksandrii, który żył ok. 300 lat p.n.e. W szkole podstawowej wszyscy spotkaliśmy się z Pitagorasem i Archimedesem. Imię Euklidesa, nazywanego czasem „ojcem geometrii”, również pojawia się na kartach współczesnych podręczników, ale najczęściej tych dotyczących matematyki wyższej. Einstein wykazał, iż grawitacja może zostać zrozumiana jako efekt geometryczny zakrzywienia czasoprzestrzeni. Grawitacja rządzi ruchem ciał na skalach astronomicznych. Stąd rozważania geometryczne Euklidesa okazały się być cenne na naprawdę kosmiczną skalę. Według Einsteina wszelkie formy energii, również ciemna materia i ciemna energia, zakrzywiają czasoprzestrzeń. Jeśli chcemy je poznać, to należy zbadać geometrię wszechświata.

Misja Euclid, w której uczestniczy około dwóch tysięcy naukowców, to projekt Europejskiej Agencji Kosmicznej. Teleskop ma średnicę 1,2 m, waży ok. dwóch ton i jest trochę większy od pasażerskiego busa. Obraz z teleskopu jest rejestrowany przez dwa instrumenty: kamerę na światło widzialne oraz kamerę na podczerwień połączoną ze spektrometrem. Światło widzialne i podczerwień to w istocie to samo zjawisko fizyczne: fale pola elektromagnetycznego, które różnią się między sobą długością (tak jak drobne zmarszczki i dłuższe fale na tafli jeziora). 

Obserwowanie w podczerwieni (większa długość fali) ma wiele zalet: można zaglądać w zapylone obszary kosmosu, które podczerwień łatwiej przenika, a także spoglądać dalej. Wszechświat rozszerza się i światło odległych, uciekających od nas galaktyk ulega poczerwienieniu, tak jak zmienia się dźwięk sygnału oddalającej się od nas karetki. Spektrometr to urządzenie, które umożliwia zbadanie widma promieniowania, czyli dokładne określenie natężenia promieniowania o danej długości fali (wracając do poprzedniej metafory: czy trafia do nas więcej fal drobnych czy długich). Wędkarz, uważnie przyglądający się falującej powierzchni jeziora, prawdopodobnie potrafi ocenić, czy uderzające o brzeg fale wywołała motorówka, czy sum. Astronom, badając widmo promieniowania, może tymczasem określić skład chemiczny źródła, temperaturę, a nawet prędkość ruchu względnego.

Teleskop Euclid ma inną specyfikację niż jego słynny sąsiad, teleskop Jamesa Webba. Jeśli teleskop Webba porównamy do teleobiektywu, to Euclid będzie odpowiadał obiektywowi szerokokątnemu. Jedno zdjęcie wykonane za pomocą Euclida pokrywa ponad sto razy większy obszar nieba niż zdjęcie wykonane w podczerwieni przez teleskop Webba. Sprawia to, że Euclid może szybko zbierać informacje o dużych obszarach wszechświata. Z drugiej strony, nie może on tak dokładnie przyglądać się odległym obiektom. Dlatego nie powinniśmy oczekiwać równie spektakularnych zdjęć jak te, których dostarcza nam teleskop Webba. Za to według planów zdjęcia wykonane przez teleskop Euclid pokryją łącznie aż jedną trzecią nieba. Został on wystrzelony 1 lipca, a w listopadzie otrzymaliśmy pierwsze zdjęcia, które potwierdziły, iż pracuje zgodnie z oczekiwaniami.

Ciemne składniki

Jak badać to, co niewidoczne? Odpowiedź na to pozornie paradoksalne pytanie jest prosta: obserwując to, co widać. W połowie XIX w. astronomiczne obserwacje drobnych zaburzeń w ruchu planety Uran doprowadziły do postawienia hipotezy o istnieniu niewidzianej wcześniej planety – Neptuna. Hipoteza okazała się prawdziwa.

Od 90 lat astronomowie zbierają coraz to dokładniejsze dowody, zarówno na skalach galaktycznych, jak i niewyobrażalnie większych skalach kosmologicznych, wskazujące na to, że materia, którą widzimy, porusza się we wszechświecie tak, jakby istniało coś jeszcze, czego nie potrafimy bezpośrednio zaobserwować. Ten tajemniczy, niewidoczny bezpośrednio składnik wszechświata został nazwany ciemną materią. 

Obecnie na Ziemi i w przestrzeni kosmicznej działa kilkadziesiąt eksperymentów, w których próbuje się bezpośrednio wykryć ciemną materię. Jak na razie bez skutku. Przyroda nie przejmuje się jednak brakiem naszych postępów i zamiast odpowiedzi, dwadzieścia lat temu podsunęła nam kolejną, jeszcze dziwniejszą zagadkę. Obserwacje na największych kosmologicznych skalach wykazały, że tempo ekspansji wszechświata rośnie – tzn. galaktyki nie tylko oddalają się od siebie, ale robią to coraz szybciej.

A przecież zwykła oraz ciemna materia spowalniają tempo ekspansji – działają przyciągająco, a nie odpychająco. Interpretacja tego typu obserwacji, w ramach teorii Einsteina, implikuje istnienie jeszcze innego składnika wszechświata (o innych właściwościach niż zwykła materia i ciemna materia). Składnik ten nazwano ciemną energią. Ostateczny bilans okazał się dla nauki dramatyczny: 95 proc. tego, co istnieje, jest obserwowane tylko pośrednio (ciemna materia stanowi 27 proc., a ciemna energia 68 proc. całości).

Oczywiście, w nauce nigdy nie ma pewności. W XIX w., tuż po odkryciu Urana, stosując analogiczną metodę analizy zaburzeń ruchu tym razem w odniesieniu do planety Merkury, postawiono hipotezę o istnieniu nieobserwowanej wcześniej planety Wulkan. Ale ta hipoteza okazała się fałszywa: Wulkana nigdy nie zaobserwowano. Rozwiązanie zagadki zaburzeń orbity Merkurego przyniosła dopiero teoria grawitacji Einsteina. Okazało się, że teoria grawitacji Newtona nie jest dostatecznie precyzyjna, by wytłumaczyć ruch Merkurego, a obserwacje zinterpretowane w ramach nowej, dokładniejszej teorii nie prowadzą już do wniosków o istnieniu Wulkana. Ciemna energia i ciemna materia mogą podzielić los Wulkana, jeśli okaże się, iż teoria grawitacji Einsteina nie jest wystarczająco precyzyjna, by poprawnie zinterpretować w ramach niej nasze obserwacje. Skonstruowanie teorii, która odtworzyłaby wszystkie niebywałe sukcesy teorii Einsteina i jednocześnie pozwoliłaby się pozbyć ciemnej materii lub ciemnej energii, jest niezwykle trudne. Nikomu się to do dzisiaj nie udało.

Wszechświat 3D

Naukowcy nie wiedzą, czym są ciemne składniki wszechświata, ale wiedzą, jak zabrać się do pracy. Należy zebrać jak najwięcej informacji na ich temat. Zwykła materia, z której zbudowane są gwiazdy, zanurzona jest w ciemnej materii i energii niczym rodzynki w cieście. Dane z Euclida w połączeniu z danymi z naziemnych teleskopów umożliwią wyznaczenie odległości do miliarda galaktyk. W ten sposób powstanie trójwymiarowa mapa wszechświata. Ze względu na to, że światło porusza się ze skończoną prędkością, jednym z trzech wymiarów tej mapy będzie czas. 

Galaktyki, które znajdują się daleko, widzimy takimi, jakie były dawniej. Te, które są bliżej, obserwujemy w późniejszych etapach ewolucji wszechświata. Nie dosyć, że zobaczymy, jak zwykła materia rozłożona jest we wszechświecie, to dowiemy się, jak jej rozkład ewoluował w czasie. Rozkład zwykłej materii i jego zmiany zależą od ciemnej materii i ciemnej energii, tak jak trajektoria Urana zależy od trudniejszego do dostrzeżenia Neptuna. Euclid zamierza sięgnąć aż 10 mld lat wstecz, co przy wieku wszechświata szacowanym na 13,8 mld lat jest wielkością niebagatelną.

Mapy wszechświata, podobne do tej, jaką sporządzi teleskop Euclid, wykonuje się od dawna. Nie jest to nowy pomysł. Obecnie podobne zadanie wykonuje np. naziemny instrument The Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Siłą Euclida jest precyzja i liczba obiektów, które zostaną zobrazowane. W przeciwieństwie do przeglądów nieba wykonywanych za pomocą instrumentów naziemnych, Euclid nie zerka spod płaszcza ziemskiej atmosfery, może więc swobodnie wykonywać obserwacje w podczerwieni, bez trudu sięgając daleko w przestrzeni i czasie (bo ziemska atmosfera blokuje znaczną część promieniowania podczerwonego). Sekret ciemnych składników wszechświata ukryty jest w subtelnościach kosmicznych ruchów zwykłej materii, a te mamy nadzieję zrozumieć dzięki przeanalizowaniu ogromnych ilości danych, których dostarczy nam Euclid.

Nobel za jedną liczbę

Dane obserwacyjne zawsze interpretuje się w ramach teorii. W przypadku obserwacji astronomicznych na wielkich skalach, które bada Euclid, jedyną sprawdzoną teorią, jaką posiadamy, jest teoria grawitacji Einsteina. Dane dostarczone przez ten instrument zostaną przeanalizowane w setkach, a być może nawet tysiącach publikacji. Istnieje wiele sposobów, na jakie można je wykorzystać, aby dowiedzieć się czegoś nowego o ciemnych składnikach wszechświata. Trudno omówić choćby część z nich, a zapewne w ciągu najbliższych lat powstanie wiele nowych. Dla przykładu przyjrzyjmy się bliżej jednemu z takich zagadnień.

Pojęcie ciemnej energii zagościło na dobre w dyskusjach astronomicznych na początku tego wieku. Jednak jeśli przyjrzymy się uważnie historii nauki, to już w 1917 r. Albert Einstein wprowadził do swojej teorii analogiczną koncepcję. Einstein, kierując się przesłankami, które dosyć prędko okazały się błędne, uzupełnił równania odkrytej dwa lata wcześniej przez siebie teorii o dodatkowy człon zawierający nową stałą, zwaną stałą kosmologiczną. 

Taki dodatkowy człon nie psuje struktury teorii grawitacji. Wszystkie dotychczasowe obserwacje astronomiczne pozostają zgodne z najprostszą hipotezą: ciemna energia jest równoważna dodatniej stałej kosmologicznej. W takim przypadku nazwa „ciemna energia” byłaby trochę na wyrost i wyrażałaby ludzką tęsknotę za tym, by nadawać jakiekolwiek interpretacje rzeczom nieznanym. Nie mamy pewności, czy stałą kosmologiczną można interpretować jako pewną formę energii (opis matematyczny w teorii Einsteina, bez względu na interpretację, pozostaje ten sam). Być może stała kosmologiczna jest tożsama z rodzajem ciemnej energii zwanym energią próżni, a być może jest to nowa fundamentalna stała opisująca geometrię wszechświata, dla której na razie nie znamy bezpośredniej fizycznej interpretacji.

W praktyce odpowiedź na pytanie, czy ciemna energia to stała kosmologiczna, sprowadza się do sprawdzenia, czy pewna wielkość pojawiająca się w równaniach Einsteina, oznaczana przez w, jest równa minus jeden. Mamy wielką nadzieję, że Euclid pomoże rozwiązać ten dylemat. Jeśli dane z tego teleskopu jednoznacznie pokażą, iż w jest różne od minus jeden, to byłoby to sensacyjne odkrycie na miarę Nagrody Nobla, prowadzące do egzotycznej fizyki. Ta egzotyczna fizyka to albo egzotyczna ciemna materia, albo egzotyczna nowa teoria grawitacji

Kluczowe dla wyznaczenia wartości tej stałej jest precyzyjne ustalenie, w jaki sposób w trakcie ewolucji wszechświata zmieniało się tempo oddalania się od siebie galaktyk oraz jak prędko galaktyki tworzyły w nim jeszcze większe struktury. Informacje te zawarte będą w danych dostarczonych przez Euclida.

***

Spektakularne zdjęcia z teleskopu Jamesa Webba wspaniale ilustrują, w jaki sposób postęp technologiczny przyczynia się do rozkwitu astronomii. Teleskop Euclid jest tego kolejnym przykładem. Oba też się znakomicie uzupełniają – dzięki nim możemy podziwiać zarówno kosmiczne szczegóły, jak i podglądać wszechświat w wielkiej skali.

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Wybrane teksty dostępne przed wydaniem w kiosku
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Wybrane teksty dostępne przed wydaniem w kiosku
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
79,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]
SEBASTIAN SZYBKA jest doktorem habilitowanym, pracuje na Uniwersytecie Jagiellońskim w Zakładzie Astrofizyki Relatywistycznej i Kosmologii (Obserwatorium Astronomiczne). Specjalizuje się w teorii grawitacji Einsteina. Jego zainteresowania naukowe dotyczą… więcej

Artykuł pochodzi z numeru Nr 52-53/2023

W druku ukazał się pod tytułem: Ciemna misja Euklidesa