Lancering van de Europese “Dark Energy Telescope” om de grootste mysteries van de kosmologie te onderzoeken

SpaceX lanceerde zaterdag de Euclid Space Telescope van de European Space Agency ter waarde van 1,5 miljard dollar, een ambitieuze en unieke poging om de aard van donkere materie te bepalen – een onbekende substantie die het universum doordringt – en donkere energie, de mysterieuze afstotende kracht die de uitdijing van het universum versnelt .

“Het is heel moeilijk om een ​​zwarte kat in een donkere kamer te vinden, vooral als er geen kat is”, zegt Henk Hoekstra, astronoom aan de Universiteit Leiden en coördinator van Euclid Science. “Dit is een situatie waarin we ons een beetje bevinden omdat we deze observaties hebben, maar geen goede theorie hebben.

“Tot nu toe heeft niemand een goede verklaring bedacht voor donkere materie, donkere energie en andere uitdagingen die ook verband houden met deeltjesfysica. … De lancering van Euclides (draagt) de kosmologie echt naar de toekomst. Het is de eerste ruimtemissie die is ontworpen om donkere energie.”

In 1998 verwachtten astronomen die de uitdijing van het heelal in kaart brachten een vertraging te zien als gevolg van de aantrekkingskracht van alle componenten. Ze waren verbaasd toen ze ontdekten dat de uitbreiding van de ruimte en alles daarin 5-6 miljard jaar geleden begon te versnellen. De onbekende kracht die deze versnelling aandrijft, werd donkere energie genoemd.

Onderzoekers hebben sindsdien geconcludeerd dat donkere energie goed is voor bijna driekwart van het collectieve energiebudget van het hele universum. Donkere materie maakt ongeveer 24% van het universum uit, terwijl atomen en moleculen normale materie vormen – aarde, mensen, sterren en sterrenstelsels – slechts 5%.

Door subtiele veranderingen in het licht van sterrenstelsels in de afgelopen 10 miljard jaar te bestuderen, zullen de camera’s van Euclides wetenschappers helpen ontdekken of donkere energie consistent is met een onveranderlijke “kosmologische constante” voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie of dat het huidige begrip van de zwaartekracht moet worden aangepakt beoordeling.

Yannick Miller, een astronoom aan het Astrophysic Institute in Parijs en lid van het wetenschappelijke team van Euclides, verwoordde het als volgt:

Het doel van de missie van Euclides is om antwoorden te geven op de volgende vragen: Waarom versnelt de uitdijing van het universum, wat zich vertaalt naar Wat is de aard van donkere energie? Is het een kosmologische constante? Is het dynamische donkere energie waarvan de eigenschappen kunnen variëren met Of is het een afwijking van de algemene relativiteitstheorie op kosmische schaal?

Tegelijkertijd gaat Euclid ook de aard van donkere materie bestuderen, een zee van deeltjes die geen licht of andere elektromagnetische straling uitzenden of weerkaatsen, maar duidelijk de effecten van de zwaartekracht laten zien. Donkere materie zorgt ervoor dat sterrenstelsels niet kunnen ontsnappen en beïnvloedt hoe sterrenstelsels zich hebben ontwikkeld en samengekomen in de 13,7 miljard jaar sinds de oerknal.

“Euclid zal de verdeling van donkere materie en de verdeling van sterrenstelsels met een ongekende resolutie vanuit de ruimte onderzoeken”, zei Millier. “Het zal ook de kosmische geschiedenis van het universum over de afgelopen 10 miljard jaar reconstrueren.”

Het zal dit doen door meer dan 10 miljard sterrenstelsels in beeld te brengen. Software op aarde zal helpen de 1,5 miljard of meer beste kandidaten te identificeren en te analyseren hoe hun vormen worden vervormd door de onzichtbare wolken van donkere materie die de ruimte tussen Euclid en zijn doelen vullen.

De techniek, die bekend staat als zwakke zwaartekrachtlensing, is qua concept vergelijkbaar met de manier waarop water de vormen van rotsen die over een beek zijn verspreid enigszins vervormt. Het is een heel subtiel effect in kosmologische termen, waarvoor complexe software, krachtige computers en meer dan 1500 wetenschappers in negen onderzoekscentra nodig zijn om het te detecteren.

Maar als alles goed gaat, zal Euclides “de verdeling van donkere materie rechtstreeks waarnemen met behulp van een zwaartekrachtlenseffect dat de vormen van sterrenstelsels wijzigt, die worden afgebogen door de verdeling van donkere materie langs een bepaalde gezichtslijn”, zei Millier. “Dit zorgt voor de verdeling van donkere materie die niet zichtbaar is in een Euclidisch veld.”

Spectrale waarnemingen van tientallen miljoenen sterrenstelsels zullen onderzoekers in staat stellen afstanden en snelheden in drie dimensies te bepalen, wat licht werpt op de vraag of donkere energie in feite de kracht is achter de versnelling van kosmische expansie of dat er een andere verklaring nodig is.

De missie begon zaterdag om 11:12 uur EST toen een SpaceX Falcon 9-raket tot leven kwam op Cape Canaveral Space Force Station. Na een snelle ronde van computercontroles werd de raket gelanceerd om 1,7 miljoen pond stuwkracht over te slaan, wat een spectaculaire luchtshow in het weekend opleverde voor omwonenden en toeristen.

41 minuten later, na twee salvo’s van de motor van de tweede trap van de raket, werd Euclid gelanceerd om solo te vliegen. De eerste trap van de Falcon 9, zoals gebruikelijk bij SpaceX, vloog zichzelf om te landen op een offshore-drone.

De European Space Agency, of ESA, bereidde vorig jaar de lancering van de Euclid Space Telescope voor op een Russische Sojoez-raket die vertrok vanuit Kourou, Frans-Guyana. Maar in de nasleep van de Russische invasie van Oekraïne stortten die plannen in elkaar, waardoor Euclid geen vlucht de ruimte in kon.

Afgelopen juli benaderde de European Space Agency SpaceX over een mogelijke lancering van de Falcon 9-raket van het bedrijf. Tegen het einde van het jaar waren de contracten van kracht en kon het team verder gaan met de lancering op zaterdag.

“We zijn … enorm veel dank verschuldigd aan SpaceX”, zegt Mike Healy, hoofd wetenschappelijke projecten bij de European Space Agency. “Zonder hen blijft onze satelliet twee jaar op aarde.”

Euclides is op weg naar een ruimtegebied op bijna een miljoen mijl van de aarde – Lagrange Point 2 – waar de zwaartekracht van de zon en de aarde samen een rustige zone vormen waar het ruimtevaartuig op zijn plaats kan blijven met minimaal manoeuvreren en brandstofverbruik. De James Webb Space Telescope werkt ook op L2.

De 4.760 pond wegende Euclid is uitgerust met een bijna perfecte primaire spiegel van 3 voet bij 11 inch en twee instrumenten: een 600 megapixel camera voor zichtbaar licht en een 64 megapixel infrarood spectrofotometer. Het gezichtsveld van de telescoop is ongeveer twee keer zo groot als de volle maan.

Na een controle- en kalibratieperiode van een maand, zal Euclid beginnen met het in kaart brengen van de 15.000 vierkante graden van de hemel, inclusief alle ruimte buiten de Melkweg, waarbij sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels van 10 miljard jaar oud in beeld worden gebracht.

Het zal de overgang vastleggen van de aanvankelijke vertraging van het door zwaartekracht aangedreven universum naar een tijdperk van versnelde expansie onder de opkomende dominantie van donkere energie.

“Euclid kan in één keer een veel groter veld presenteren dan wat door Hubble kan worden bereikt”, zegt Rene Lorigs, Euclid Project Scientist bij de European Space Agency. “Tijdens zijn hele leven heeft Hubble nooit meer dan 100 vierkante graden afgelegd, en Euclides zou dat in 10 dagen kunnen doen. Dus om 15.000 vierkante graden te krijgen, wat de grootte is van ons luchtonderzoek, hebben we deze grote luchtbeelden nodig.”

Het zou Euclides zes jaar kosten om zijn kaart van de hemel te voltooien, waarbij hij ongeveer 100 gigabyte aan gecomprimeerde gegevens per dag zou genereren, of naar schatting 70.000 terabyte tijdens de missie.

“Je iPhone heeft waarschijnlijk 10 megapixels”, zegt Jason Rhodes, lid van het Euclid Research Consortium. Dus de twee Euclid-camera’s hebben samen zo’n 700 megapixels.We zullen zes jaar lang om de paar minuten foto’s maken met deze camera’s.

“Maar de hoeveelheid gegevens die we verzenden, is lager in vergelijking met de hoeveelheid gegevens die aan het einde van het proces volledig in het archief zit, en dat is nog een factor duizend.”

Deze afbeeldingen zullen 8 miljard sterrenstelsels bevatten, zei Gaitee Hussain, hoofd wetenschap bij ESA: “De beste tussen anderhalf en twee miljard sterrenstelsels zal worden geselecteerd voor het experiment met zwakke lenzen.”

“We zullen miljoenen en tientallen miljoenen spectrale roodverschuivingen verzamelen, naast miljarden optische roodverschuivingen, om de afstanden van de sterrenstelsels waar we naar kijken te begrijpen”, voegde ze eraan toe.

“Dat betekent enorme datasnelheden, niet alleen voor datalevering terug naar de aarde, maar ook in termen van datacommunicatie … Dit is wat nodig is om te beantwoorden wat misschien wel de fundamentele vraag is in de natuurkunde en kosmologie van vandaag, namelijk: wat is het universum eigenlijk van gemaakt?”