Czy Einstein miał rację? Teleskop kosmiczny Euclid powie "sprawdzam"

W 1933 roku Fritz Zwicky zauważył, że ruchu niektórych galaktyk w gromadach nie da się wyjaśnić jedynie grawitacją widocznej w nich materii, czyli tego, co tworzy gwiazdy, planety, ale nawet ludzi i wytwory naszej cywilizacji. Tak powstała koncepcja ciemnej materii, która oddziałuje na otoczenie tylko grawitacyjnie. Do dziś nie ma konsensusu, czym może ona być, choć kandydatów jest wielu.

Pod koniec XX wieku zaczęło przybywać obserwacji sugerujących że ekspansja wszechświata przyśpiesza. Obecnie uważamy, że wyjaśnieniem może być hipotetyczna ciemna energia, która działa podobnie jak antygrawitacja. Ciemna materia i ciemna energia stanowią według szacunków około 25 proc. i 70 proc. zawartości wszechświata. Choć nie da się ich obecności zarejestrować, kształtują one widzialny wszechświat. Tuż po powstaniu przypominał on strukturą watę cukrową, ale z czasem zaczął być podobny do sera z dużymi dziurami. Ser tworzy zwykła materia (galaktyki i ich gromady, 5 proc. wszechświata), ale i ciemna materia. Dziury to pustki, które mogą być źródłem ciemnej energii.

Stworzenie mapy wszechświata w tej największej dostępnej obserwacjom skali to właśnie zadanie teleskopu Euclid. Będzie to mapa 3D, w której jednak jeden wymiar to praktycznie czas, ponieważ im dalej sięgamy obserwacjami, tym wcześniejsze etapy istnienia wszechświata obserwujemy. Teleskop nazwano na cześć starożytnego greckiego matematyka Euklidesa, twórcy klasycznej geometrii, której uczymy się po dziś dzień w szkołach. Teraz Euclid zbada geometrię wszechświata. Cóż jednak będzie on obserwował, skoro ciemnej materii i energii nie potrafimy rejestrować?

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Kluczowe są tu własności ciemnej energii i materii. Ta pierwsza daje zauważalne, tym bardziej widoczne efekty w postaci przyśpieszonej ekspansji kosmosu, w im większej skali dokonujemy obserwacji położenia galaktyk. Ta druga wpływa na to jak galaktyki tworzą gromady, te gromady jeszcze większe supergromady, a te tworzą struktury przypominające włókna.

Dlatego teleskop Euclid będzie obserwował kosmos w bardzo dużej skali. Sięgnie do obiektów, które powstały 10 miliardów lat temu, obejmie też obserwacjami 1/3 nieba (ilustracja powyżej). Dokładne obserwacje pozostałej części głębokiego kosmosu utrudnia materia Drogi Mlecznej, a także pył w Układzie Słonecznym. Teleskop wyposażono w wysokiej rozdzielczości kamery. W świetle widzialnym, kamera VIS wykona zdjęcia o rozdzielczości 576 Mpix (tyle co 18 telewizorów 8K), a w podczerwieni, kamera i spektroskop NISP zdjęcia o rozdzielczości 64 Mpix (podobnej jak topowe bezlusterkowce).

O ogromie danych, jakie zbierze Euclid - dziennie będzie to nawet 100 GB informacji - świadczy fakt, że dokona on pomiaru: 

• deformacji rzeczywistego kształtu 1,5 miliarda odległych galaktyk,
• dokładnej jasności i odległości do 35 milionów galaktyk.

Te pierwsze są wynikiem tak zwanego słabego soczewkowania grawitacyjnego. Wywołuje je masa, która działa podobnie jak soczewka optyczna, nawet jeśli jej nie widać. Pomiary odległości dadzą nam obraz, jak materia widzialna grupuje się w przestrzeni. A to jest konsekwencja istnienia ciemnej materii i ciemnej energii. Wpływa ona na to, jaki kosmos był w przeszłości, jaki jest dziś i jaki będzie w przyszłości. Tego chcą dowiedzieć się astronomowie.

Mikołaj Kopernik nie musiał znać grawitacji, by zauważyć, że Ziemia nie jest centrum kosmosu. Johannes Kepler poprawił ten obraz, formułując zasady ruchu ciał niebieskich. Jednak i jego prawa da się wywnioskować z teorii grawitacji Newtona. W XX wieku stała się one z kolei elementem ogólnej teorii względności Einsteina, jednak i ta teoria może być elementem czegoś szerszego.

Obecność ciemnej materii pasuje do teorii Einsteina, a ciemna energia pomaga wyjaśnić obecnie rosnące tempo rozszerzania się wszechświata, które również da się wywnioskować z teorii względności. Czy jednak to jest to prawidłowe rozumowanie? A może równania ogólnej teorii względności wymagają modyfikacji? Precyzja obserwacji teleskopu Euclid przybliży nas do odpowiedzi na te pytania, ale też może przydać się w sposób, którego sobie dziś nie wyobrażamy.

Dziś takie technologie jak GPS czy czujniki przyśpieszenia, które istnieją dzięki znajomości grawitacji, nadają sens takim urządzeniom jak smartfony. W przyszłości lepsze pojęcie grawitacji może pomóc lepiej eksplorować kosmos.

Misja rozpocznie się 1 lipca 2023 roku o godzinie 17:11. Transmisję można będzie oglądać na kanale ESA YouTube (poniżej) już od godziny 16:30. Teleskop poleci w kosmos na pokładzie rakiety Falcon 9. Zapasowy termin startu to 2 lipca.

Euclid trafi na orbitę wokół punktu L2, 1,5 miliona kilometrów od Ziemi, podobnie jak teleskop Webba. Podstawowa misja potrwa sześć lat. W porównaniu z Webbem, Euclid ma rekordowo szeroką perspektywę. Na jednym zdjęciu nieba znajdzie się obszar o powierzchni większej niż dwukrotność Księżyca w pełni. Dla teleskopu kosmicznego to bardzo dużo.

Euclid rozpocznie obserwacje trzy miesiące po wprowadzeniu na orbitę, ale cała misja zaczęła się wiele lat wcześniej. Na jej ziemskim etapie bardzo dużo do powiedzenia mieli inżynierowie z firmy Sener Polska.

Historia eksploracji kosmosu zna misje, w których błędy naziemne wpływały na dalsze losy misji. Galileo nie rozłożyła się w pełni antena, sonda Genesis miała odwrotnie zainstalowane akcelerometry i rozbiła się podczas powrotu na Ziemię, a Hubble źle wyszlifowane zwierciadło, którego wadę trzeba było korygować na orbicie.

O tych błędach dowiedzieliśmy się tylko dlatego, że poskutkowały problemami. Dlatego też, jak wskazuje Janusz Grzybowski, Project Manager w Sener Polska, "rozmawiając o badaniach kosmosu, zawsze warto podkreślać, jak wiele pracy wkłada się w przygotowanie misji na ziemi, by zagwarantować powodzenie w przestrzeni kosmicznej".

- Pamiętajmy, że o sukcesie misji kosmicznej może zadecydować nawet jeden błąd czy niedociągnięcie, dlatego tak istotne są wcześniejsze testy, precyzyjna integracja satelity i jego odpowiednie zabezpieczenie przed wylotem - dodaje.

Janusz Grzybowski wyjaśnił też, na czym polegał wkład polskiego przedsiębiorstwa. - Kluczowym elementem tych wszystkich przygotowań jest infrastruktura MGSE, czyli urządzenia wspierające testy i montaż satelitów. Na potrzeby misji Euclid inżynierowie Sener Polska stworzyli unikatowy zestaw obejmujący trzynaście takich urządzeń. Z ich pomocą możliwa była między innymi precyzyjna integracja komponentów modułu serwisowego, ale też utrzymanie ponad dwutonowego satelity w pożądanej przez techników pozycji. Cała struktura przeznaczona dla satelity Euclid gwarantowała, że został on precyzyjnie i trwale zintegrowany, by przetrwać zaplanowane lata swojej pracy w kosmosie. 

Wśród komponentów tworzących teleskop Euclid bardzo ważny jest mechanizm rozkładania i kierunkowania anteny ADPM, która zapewni komunikację z Ziemią. Euclid będzie wykonywał bowiem dziennie setki zdjęć, które razem stanowić będą odpowiednik pojedynczej fotografii o rozdzielczości 18 Gpix. Mechanizm ADPM został zaprojektowany przez hiszpański dział Sener, jednakże to polscy inżynierowie odpowiadali za produkcję jego i stanowisk testowych oraz testy. Oprócz Sener Polska, w projekt Euclid zaangażowane są także firmy Astri Polska oraz GMV Polska.