Ciemna materia i ciemna energia. Nadal mają przed nami tajemnice

Bardzo mało wiemy o wszechobecnej sile, która stanowi 68 proc. całej energii we wszechświecie. Naukowcy uważają, że znamy tylko około 5 proc. materii, z której składa się wszechświat. Modele kosmologiczne pokazują, że niewidzialna energia i materia muszą stanowić łącznie 95 proc. wszechświata, aby działały zgodnie z istniejącymi teoriami.

Niewidzialna część wszechświata składa się z dwóch składników: ciemnej energii i ciemnej materii. Ta ostatnia jest nieco mniej tajemnicza i naukowcy są dość pewni jej istnienia: zasady grawitacji po prostu nie działają bez niej. Galaktyki, które obserwujemy, nie byłyby w stanie osiągnąć swoich obecnych rozmiarów w czasie, który miały od momentu Wielkiego Wybuchu, gdyby jedynym istniejącym elementem była materia widzialna. W rzeczywistości wiele galaktyk nawet nie trzymałoby się razem, gdyby grawitacja widzialnej materii była jedyną siłą, która je łączy.

Nowy europejski teleskop kosmiczny Euclid spróbuje zmapować tę niewidzialną materię. Co, jeśli jego wyniki nie spełnią oczekiwań? Stawka jest wysoka, w tym słynna i powszechnie akceptowana ogólna teoria względności Einsteina.

Pierwsze obserwacje wskazujące, że ciemna materia musi dominować we wszechświecie, aby zapobiec rozpraszaniu się obiektów, zostały przeprowadzone w latach 30. XX wieku. Od tego czasu astronomowie odkryli, że ta niewidzialna ciemna materia musi stanowić co najmniej 85% całej materii we wszechświecie. Naukowcy od dziesięcioleci próbują wykryć tę niewidzialną materię, która, ich zdaniem, musi składać się z pewnego rodzaju cząstek, być może podobnych do mało reaktywnych neutrino, które ledwo oddziałują ze światem widzialnym.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Sytuacja z ciemną energią jest jednak bardziej skomplikowana. Odkrycie tej nieuchwytnej siły datuje się na rok 1998, kiedy astronomowie zaobserwowali, że ekspansja wszechświata przyspiesza. Ekspansja ta była początkowo napędzana energią z Wielkiego Wybuchu, ale ponieważ Wielki Wybuch nastąpił tak dawno temu (13,8 miliarda lat temu), ekspansja ta powinna zwalniać.

Aby wyjaśnić ten paradoks, teoretycy postulowali, że musi istnieć pewna tajemnicza siła, ciemna energia, która działa przeciwnie do grawitacji i rozpycha materię. Kosmologiczne modele pokazują, że ciemna energia stanowi 68% całej energii we wszechświecie. Jednak astronomowie przyznają, że dowody na jej istnienie są dość niejasne.

"Przyspieszenie ekspansji wszechświata nie ma sensu, gdy myślimy, że istnieje tam tylko grawitacja" – powiedziała Isobel Hook, profesor astrofizyki na Uniwersytecie w Lancaster w Wielkiej Brytanii i naukowiec z projektu Euclid. "To nie powinno tak zwalniać. Więc fakt, że obserwujemy, jak ekspansja staje się szybsza, oznacza, że musi istnieć coś innego. A my po prostu nazywamy to ciemną energią, bo naprawdę nie wiemy, czym to jest".

Hook była członkiem zespołu, który dokonał tego odkrycia w 1998 roku i od tego czasu zastanawia się, tak jak wielu innych naukowców, czym tak naprawdę może być ta ciemna energia. "Naprawdę nie wiemy" – powiedziała. "Najlepsza teoria mówi, że prawdopodobnie jest to jakiś rodzaj właściwości samej przestrzeni, rodzaj energii, która jest wszędzie, zawsze, ale nie ma wyjaśnienia, czym to powinno być".

Modele pokazują, że ta energia musi być równomiernie rozłożona w całym wszechświecie i zawsze mieć tę samą siłę. W pierwszych dniach wszechświata efekty ciemnej energii nie były tak widoczne, ponieważ początkowe "kopnięcie" z Wielkiego Wybuchu napędzało większość ekspansji wszechświata. Mniej więcej 5 do 6 miliardów lat temu ciemna energia stała się jednak "dominującą siłą działającą przeciwnie do grawitacji zarówno zwykłej, jak i ciemnej materii" – powiedział Giuseppe Racca, menedżer projektu Euclid w Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). "To jest trochę niepokojące, że ta energia wydaje się mieć stałą gęstość, gdy wszechświat się rozszerza" – powiedział Racca. "Oznacza to, że energia [dodatkowa] jest tworzona, ponieważ gęstość jest stała. Nie jest rozcieńczana przez to, że wszechświat staje się większy. Więc oznacza to, że istnieje dodatkowa energia".

Istnieje jednak możliwość, że tak naprawdę nie ma czegoś takiego jak ciemna energia, a kosmologiczne modele, które wymagają jej istnienia, są błędne. Te modele opierają się na ogólnej teorii względności Alberta Einsteina, która opisuje fizyczne "zasady" wszechświata za pomocą serii równań. Jeżeli przyszłe obserwacje za pomocą teleskopu Euclid (i innych nadchodzących teleskopów zaprojektowanych do badania ciemnej energii) sugerują, że ciemna energia nie jest taką stałą, wszechobecną siłą, to oznaczałoby to, że ta słynna teoria nie jest całkowicie prawidłowa. "Wiadomo, że ogólna teoria względności działa bardzo dobrze na poziomie systemu" – powiedział Racca. "Ale istnieje możliwość, że nie działa ona tak dobrze na kosmiczną skalę, a zatem ciemna energia nie jest potrzebna".

Teleskop Euclid będzie szukać dowodów na istnienie ciemnej energii, mapując rozmieszczenie galaktyk 10 miliardów lat wstecz i porównując, jak to rozmieszczenie zmieniło się w ciągu ewolucji wszechświata. Obserwacje wykażą, czy rzeczywiście wydaje się, że działa stała, wszechobecna siła, czy może dzieje się coś innego. "Możemy odkryć, że nie widzimy [efektów] tej stałej energii wszędzie, ale gdzieś [w przestrzeni] lub w czasie dostrzegamy pewne różnice" – powiedziała Hook. "Wtedy rzeczy stają się naprawdę interesujące i byłoby to naprawdę rewolucyjne, bo musielibyśmy całkowicie zmienić nasze teorie". A to prawdopodobnie oznaczałoby Nagrody Nobla dla odkrywców. Teleskop Euclid, wystrzelony 1 lipca za pomocą rakiety SpaceX Falcon 9, będzie mapować jedną trzecią nieba poza naszą galaktyką, Drogą Mleczną, przez sześć lat. Dopiero wtedy astronomowie będą mieli wystarczająco dużo danych, aby mieć pewność.

Misja Euclid, która będzie mierzyć, jak ciemny wszechświat wpływa na geometrię kosmosu, została nazwana na cześć "ojca geometrii".

Naukowcy wkrótce otrzymają nowe narzędzie do odkrywania niektórych z najbardziej nieuchwytnych tajemnic naszego wszechświata.

Misja Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej, która została wystrzelona 1 lipca, została zaprojektowana do badania tzw. ciemnej strony wszechświata. Tak naukowcy nazywają bardziej tajemnicze składniki kosmosu, a mianowicie ciemną materię i ciemną energię. Aby to zrobić, ta nowatorska misja wykorzysta niektóre zasady geometrii, które wyznaczył jej starożytny grecki patron, matematyk Euklides z Aleksandrii.

Statek kosmiczny Euclid zawiera teleskop o szerokości 1,2 metra – połowę rozmiaru Kosmicznego Teleskopu Hubble’a – który może obserwować wszechświat w świetle widzialnym i bliskim podczerwieni. W przeciwieństwie do teleskopów Hubble’a i James Webb Space, które są zaprojektowane do obserwacji z wąskim polem widzenia, do pracy z dużym powiększeniem i wysoką rozdzielczością, Euclid wybiera podejście szerokokątne, które może objąć naraz tysiące odległych galaktyk.

Jego pole widzenia wynosi 0,57 stopnia kwadratowego, czyli nieco mniej niż dwukrotność średnicy pełni Księżyca. Dla teleskopu jest to ogromna przestrzeń nieba do obejrzenia jednym rzutem oka, co pozwoli dwóm instrumentom Euclida – jego Widocznemu Imagerowi (VIS) i jego Spektrometrowi i Fotometrowi w bliskiej podczerwieni (NISP) – zbadać 1,5 miliarda odległych galaktyk w ciągu zaledwie sześciu lat, aby dowiedzieć się więcej o ciemnej materii i ciemnej energii. Te dwa tajemnicze składniki stanowią odpowiednio 26,8% i 68,3% wszechświata, ale astronomowie nie wiedzą, czym są. Wiemy tylko, że te ciemne elementy istnieją ze względu na grawitacyjny efekt niewidocznej ciemnej materii i sposób, w jaki ciemna energia przyspiesza ekspansję wszechświata. Gęstość materii i energii w kosmosie określa geometrię wszechświata, w sensie, że materia i energia mogą zniekształcać czasoprzestrzeń lub ją rozciągać. Ponieważ ciemna materia i ciemna energia stanowią zdecydowaną większość materii i energii we wszechświecie, to one właściwie kontrolują geometrię wszechświata.

Euclid będzie badał te ciemne wpływy na dwa sposoby. Jednym z nich jest obserwowanie, jak gromadzą się galaktyki, przeprowadzając badanie, które kataloguje przesunięcia ku czerwieni galaktyk, aby stworzyć trójwymiarową mapę galaktyk rozciągającą się na 10 miliardów lat świetlnych.

Sposób, w jaki galaktyki są skupione, wiąże się ze zmianami w gęstości materii w mikrofalowym promieniowaniu tła (CMB), promieniowaniu emitowanym zaledwie 279 000 lat po Wielkim Wybuchu, który stworzył wszechświat. Porównanie tych fluktuacji – nazywanych barionowymi oscylacjami akustycznymi (BAO) – z rozmiarami gromad w późniejszych epokach, może nam powiedzieć, jak zmieniała się siła ciemnej energii w czasie, ponieważ jej siła odpychania działa przeciwko grawitacji, która powoduje gromadzenie się galaktyk.

Drugim sposobem, w jaki Euclid będzie badał ciemny wszechświat, jest obserwowanie kształtów galaktyk. Grawitacja od ciemnej materii rozprzestrzenionej po wszechświecie może tworzyć soczewki grawitacyjne, które zginają światło. Obserwujemy to w spektakularny sposób w silnych soczewkach grawitacyjnych skupisk galaktyk, ale ciemna materia może również powodować "słabe soczewkowanie", które delikatnie deformuje kształty galaktyk, zmieniając geometrię przestrzeni oraz ścieżkę, którą światło pokonuje, aby do nas dotrzeć.

Euclid wykona zdjęcia 1,5 miliarda galaktyk i będzie szukać tych deformacji kształtów, co pozwoli astronomom na zmapowanie ciemnej materii we wszechświecie.

Misja ta nosi imię ojca geometrii, starożytnego greckiego matematyka Euklidesa. Żył około roku 300 r. p.n.e. w mieście Aleksandria, które założył Aleksander Wielki w 330 r. p.n.e. Nikt nie jest całkowicie pewny osobistych szczegółów dotyczących Euklidesa, w tym dokładnej daty jego urodzenia i śmierci. Wiemy jednak, co nam pozostawił: wielkie prace matematyczne, zwłaszcza "Elementy", traktat na temat geometrii, czyli jedną z najczęściej tłumaczonych na świecie książek. Dlatego też Euklides stał się znany jako "ojciec geometrii". Wiele z tego, co zrobi misja kosmiczna Euclid, opiera się na geometrii i na tym, jak soczewkowanie grawitacyjne i ekspansja kosmiczna zmieniają tę geometrię.

W szczególności nazywamy specyficzną geometrię Euklidesa "geometrią euklidesową". Jest to geometria, której uczysz się w szkole, o płaskich płaszczyznach, równoległych liniach, kątach prostych, trygonometrii i twierdzeniu Pitagorasa.

Euklides oparł swoją geometrię na fundamencie pięciu aksjomatów, czyli prawd uznanych za niepodważalne. Należą do nich: fakt, że jakiekolwiek dwa punkty można połączyć prostą linią; proste linie mogą być przedłużane w nieskończoność; okrąg można narysować, znając tylko miejsce jego środka i rozmiar promienia; że wszystkie kąty proste (90 stopni) są równe; oraz że jeśli prosta linia X przecina dwie inne proste linie, Y i Z, i jeśli kąty, które X tworzy z Y i Z, są mniejsze niż 90 stopni, to Y i Z przecięłyby się, gdyby były przedłużane w nieskończoność (innymi słowy, tworząc trójkąt).

Na tym fundamencie Euklides był w stanie sformułować system geometryczny, którego nadal używamy 2300 lat później w codziennym życiu. Jednak astronomowie są w stanie szukać odstępstw od geometrii euklidesowej w przestrzeni, takich jak w soczewkach grawitacyjnych, aby szukać dowodów na istnienie "ciemnego wszechświata".

Dziedzictwo Euklidesa z Aleksandrii będzie żyło wiecznie. Był geniuszem swoich czasów, zajął się również geometrią perspektywiczną, algebrą i tzw. astronomią sferyczną, która obejmuje formę geometrii służącą do znajdowania obiektów na sferze niebieskiej. Istnieją pewne dowody sugerujące, że Euklides był uczniem Platona i uczył w Muzeum Aleksandryjskim, które było domem dla słynnej Biblioteki Aleksandryjskiej, gdzie założył również renomowaną szkołę matematyki.

Teraz, ponad dwa tysiąclecia później, jego dziedzictwo wejdzie na ostateczny rubież w naszej jak dotąd najlepszej próbie dotarcia do sedna niektórych z najbardziej zaskakujących tajemnic naszego wszechświata.