ماموریت اقلیدس: شکار ESA برای ماده تاریک و انرژی تاریک

اقلیدس «جهان تاریک» را روشن خواهد کرد.

برداشت هنری از فضاپیمای اقلیدس ESA. (اعتبار تصویر: ESA/ATG medialab (spacecraft); NASA, ESA, CXC, C. Ma, H. Ebeling and E. Barrett (University of Hawaii/IfA), et al. and STScI (background))

ماموریت اقلیدس آژانس فضایی اروپا، هندسه ماده را در جهان، به ویژه در قالب توزیع کهکشان‌ها ترسیم می‌کند تا درباره بخش‌هایی از جهان که نمی‌توانیم ببینیم – انرژی تاریک و ماده تاریک – اطلاعات بیشتری کسب کند.

ماموریت اقلیدس با هدف ترسیم 1.5 بیلیون کهکشان در طول 10 بیلیون سال گذشته تاریخ کیهانی در طول عمر شش ساله مورد انتظارش، انجام خواهد شد.

انتظار می‌رود اقلیدس در فاصله زمانی بین جولای و سپتامبر ۲۰۲۳ از مرکز فضایی کندی در فلوریدا، موشک فالکون ۹ اسپیس ایکس را به فضا پرتاب کند. این ماموریت چندین بار به تعویق افتاده است. برنامه پرتاب موشک سایوز روسی از گویان فرانسه بود، اما حمله روسیه به اوکراین به معنای لغو این طرح بود.

تقریباً 30 روز طول می کشد تا اقلیدس به مقصد خود در نقطه L2 لاگرانژ برسد – همان مکانی که چندین فضاپیمای دیگر از جمله تلسکوپ فضایی جیمز وب در آن قرار دارند. L2 حدود یک میلیون مایل (1.6 میلیون کیلومتر) از زمین اما در جهت مخالف خورشید قرار دارد که مکان ویژه ای است زیرا در L2 است که گرانش زمین و خورشید با نیروی گریز از مرکز به سمت بیرون که بر روی فضاپیما وارد می‌شود در حالی متعادل می‌شود که در مدار خود به دور زمین می‌چرخد این مکان را تقریباً پایدار می‌کند – فضاپیما به عمق فضا پرتاب نمی‌شود، اما برای نگه‌داری ایستگاه به پیشرانه‌های مانور نیاز دارد.

L2 همچنین دید واضح‌تری از اعماق فضا را فراهم می‌کند و زمین، ماه و خورشید همیشه در پشت فضاپیما قرار دارند. اگر اقلیدس بخواهد در مأموریت خود برای ترسیم 1.5 بیلیون کهکشان در طول 10 بیلیون سال گذشته تاریخ کیهانی موفق شود و کیفیت تصویری چهار برابر واضح‌تر از بررسی‌های زمینی مقایسه کند، این امر ضروری است.

اقلیدس به عنوان یک ماموریت پیمایشی حداقل شش سال دوام خواهد آورد و 15000 درجه مربع از آسمان را پوشش خواهد داد. تلسکوپ در یک زمان حدود 0.5 درجه مربع از آسمان را نشانه گرفته و اندازه گیری می‌کند.

ماموریت EUCLID به نام چه کسی نامگذاری شده است؟

برای یک ماموریت فضایی مناسب است که هندسه کیهان را ترسیم می‌کند و به نام پدر هندسه نامگذاری می‌شود. ریاضی‌دان یونانی اقلیدس اسکندریه در زمان اسکندر مقدونی می‌زیست و اگرچه جزئیات شناخته شده زندگی او در بهترین حالت کلی است، میراث او اختراع هندسه به عنوان یک موضوع ریاضی بود. اقلیدس چیزی را ابداع کرد که ما امروزه به آن هندسه اقلیدسی می‌شناسیم که اساس زمینه‌های ریاضی مانند مثلثات است.

جهان همچنین دارای هندسه اقلیدسی است. اندازه‌گیری‌های کاوشگر ناهمسانگردی مایکروویو ویلکینسون ناسا (WMAP) نشان می‌دهد که جهان «مسطح» است و انحنای مانند کره ندارد. خطوط موازی برای همیشه موازی می‌مانند و زوایای داخلی مثلثها همیشه تا 180 درجه جمع می‌شوند.

EUCLID چه خواهد کرد؟

مکان‌های مشخص‌شده که توسط بررسی‌های عریض (آبی) و عمیق (زرد) اقلیدس، بر روی نقشه‌ای سراسر آسمان بر اساس داده‌های مأموریت گایا ناسا پوشش داده می‌شوند. ( ESA/Gaia/DPAC; Euclid Consortium. Acknowledgment: Euclid Consortium Survey Group))

اقلیدس اطلاعات بیشتری در مورد «جهان تاریک» به دانشمندان نشان خواهد داد. یکی از اهداف اصلی آن، ترسیم دقیق انتقال به سرخ کهکشان است – کشش نور به طول‌موج‌های قرمزتر هنگامی که یک جسم از ما دور می‌شود، همانطور که جهان در همه جهات منبسط می‌شود. قانون هابل به ما می‌گوید که فاصله تا یک کهکشان به این بستگی دارد که انبساط جهان با چه سرعتی آن کهکشان را از ما دور می‌کند و هر چه سرعت رکود بیشتر باشد، کهکشان دورتر و انتقال به سرخ آن بیشتر می‌شود. بنابراین، اندازه‌گیری انتقال به قرمز، سرعت انبساط جهان و قدرت انرژی تاریک را به اخترشناسان می‌گوید، زیرا این انبساط را تسریع می‌کند. این مأموریت به کهکشانهایی نگاه خواهد کرد که تا 10 بیلیون سال پیش (یک انتقال به قرمز حدود 2) یا بیش از دو برابر سن منظومه شمسی وجود داشته‌اند. اقلیدس در طول حداقل 6 سال، حدود 36 درصد از آسمان را نقشه‌برداری می‌کند و یک بررسی فوق‌العاده عمیق در سه میدان کوچکتر آسمان به وسعت 40 درجه مربع انجام می‌دهد.

آشکارسازهای اقلیدس دو کاوشگر کیهانی را هدایت خواهند کرد. یکی از عدسی‌های گرانشی ضعیف – خمش حاشیه‌ای نور توسط غلظت‌های ماده – را مطالعه خواهد کرد. این برای نقشه‌برداری از محل ماده تاریک در اطراف کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی با اندازه گیری میزان تحریف تصاویر کهکشان توسط عدسی مفید است.

کاوشگر دیگر نوسانات صوتی باریونی (BAO) را مطالعه خواهد کرد، آثاری از نوسانات در تابش پس زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) که امروزه خود را در توزیع فضایی کهکشانها نشان می‌دهد. در مقیاسهای بسیار بزرگ، کهکشانها تمایل دارند به صورت جفتی خوشه‌بندی شوند که با فاصله استاندارد از هم جدا شده‌اند. این فاصله استاندارد با امواج صوتی در پلاسما (گاز یونیزه) در جهان اولیه مرتبط است. امواج صوتی به صورت امواج چگالی در پلاسما منتشر می‌شوند و امروزه به مکان‌های هاله‌های ماده تاریک یا غلظت‌های ماده تاریک مرتبط با کهکشان‌ها مرتبط هستند. اندازه این فاصله استاندارد در طول زمان با انبساط جهان افزایش می‌یابد، بنابراین BAO ها یک خط کش استاندارد برای اندازه‌گیری انبساط جهان، و از این رو قدرت انرژی تاریک در دوره‌های مختلف در تاریخ کیهانی هستند.

پرسشهای متداول EUCLID که توسط یک متخصص پاسخ داده شده است:

ما از جوزپه راکا، مدیر پروژه اقلیدس آژانس فضایی اروپا، چند سوال متداول در مورد ماموریت اقلیدس پرسیدیم.

چگونه ماموریت اقلیدس درک ما از انرژی تاریک را بهبود می بخشد؟

انرژی تاریک اساساً نام مستعار چیزی است که باعث می‌شود جهان به شکلی شتابان منبسط شود. به نظر می‌رسد این شتاب حدود 5 بیلیون سال پیش آغاز شده است و با رصد از رصدخانه‌های زمینی سرعت رکود کهکشان های دوردست کشف شده است.

رفتار شتاب با نوعی انرژی دافعه خلاء با چگالی ثابت یا ثابت کیهانی معادلات نسبیت عام سازگار است که گرانش را به عنوان رابطه هندسه ماده در مقابل فضا-زمان توصیف می‌کند. اقلیدس اساساً با اندازه گیری اینکه آیا چگالی انرژی تاریک در 10 میلیارد سال گذشته ثابت است یا خیر، درک ما را بهبود می‌بخشد.

نقشه‌برداری کهکشان‌ها  در مورد ماده تاریک به ما چه می‌آموزند؟

ماده تاریک شکل غالب ماده در جهان است. بدون آن، احتمالاً ستارگان در اوایل کیهان شکل نمی‌گرفتند و حضور ماده تاریک در سراسر جهان برای تشکیل ساختارهای کیهانی ضروری است.

ماده تاریک قابل مشاهده نیست و تابش را جذب نمی‌کند، اما به دلیل کشش گرانشی خود (دقیقاً به دلیل تاب برداشتن فضا-زمان) نور را منحرف می‌کند و شکل کهکشانها را همانطور که مشاهده می‌کند تغییر شکل می‌دهد. این اثر عدسی ضعیف گرانشی نامیده می‌شود. با مشاهده کهکشان‌های دوردست که نور آن‌ها از طریق ماده (تاریک و منظم) از منبع به ما سفر کرده است، می‌توان توزیع ماده تاریک را در مسیر آن اندازه‌گیری کرد. با انجام این کار با بیلیونها کهکشان، اقلیدس نقشه کاملی از توزیع ماده تاریک در کل جهان خواهد ساخت.

اقلیدس چه تفاوتی با سایر مطالعات انرژی تاریک دارد؟

در واقع بررسی‌های کیهان شناسی زیادی وجود دارد، عمدتاً روی زمین و یکی از آنها برنامه‌ریزی شده (تلسکوپ رومن ناسا) از فضا. کیفیت اقلیدس در وضوح تصویر آن است که به آن اجازه می‌دهد تا خطاهای سیستماتیک مربوط به کاوشگر لنز ضعیف فوق الذکر را به حداقل برساند. علاوه بر این، طراحی مشخصه تلسکوپ اقلیدس به آن اجازه می‌دهد تا مقدار زیادی از آسمان (36٪) را در مدت زمان نسبتاً کوتاه (6 سال) با دقت و دقت بی‌سابقه‌ای پوشش دهد. در مورد قابلیت طیف‌سنجی، اقلیدس همچنین مشاهداتی از نور کهکشان‌ها در طول موج‌های نزدیک به فروسرخ را انجام خواهد داد که توسط جو جذب می‌شود و بنابراین از زمین قابل مشاهده نیست. این قابلیت برای اندازه‌گیری دقیق سرعت رکود صدها میلیون کهکشان تا فاصله 10 بیلیون سال نوری استفاده می‌شود.

سفینه فضایی EUCLID

مدل ساختاری و حرارتی فضاپیمای اقلیدس پس از تکمیل تستهای صلاحیت حرارتی آن در محل Thales Alenia Space در کن، فرانسه به تصویر کشیده شده است. (اعتبار تصویر: ESA–S. Corvaja)

اقلیدس به عنوان یک فضاپیمای 4630 پوندی (2100 کیلوگرمی)، ارتفاع 14.7 فوت (4.5 متر) و قطر 10.2 فوت (3.1 متر)، در مقایسه با اندازه و پیچیدگی تلسکوپ فضایی جیمز وب نسبتاً متوسط است. علم اقلیدس توسط دو ابزار انجام خواهد شد و تلسکوپ 3.9 فوتی (1.2 متری) آن  نور را برای تجزیه و تحلیل بین آنها می‌گیرد.

یکی از این ابزارها یک تصویرگر قابل مشاهده (VIS) است، که شامل 36 دستگاه متصل به شارژ (CCD) است که به طور ویژه برای این ماموریت فرموله شده‌اند. میدان دید VIS 0.787 درجه در 0.709 درجه است (کمی بزرگتر از منطقه تحت پوشش دو ماه کامل در آسمان).

دستگاه دوم طیف‌سنج و نورسنج فروسرخ نزدیک (NISP) است، که نورسنجی مادون قرمز نزدیک کهکشان‌ها را ارائه می‌دهد. هدف ترکیب مشاهدات VIS و NISP برای اندازه‌گیری دقیق انتقال به سرخ کهکشان‌ها است.

NISP همچنین شیمی کهکشان‌ها و حرکت ستارگان و گازهای درون آنها را بررسی خواهد کرد تا چگونگی چرخش کهکشان ها و روشن کردن چگونگی شکل‌گیری آنها را بیابد.

انرژی تاریک و ماده تاریک چیست؟

انرژی تاریک و ماده تاریک بیشتر جرم و انرژی جهان را تشکیل می‌دهند. ماده تاریک یک ماده غیبی است که تنها از گرانش آن می‌توانیم به وجود آن پی ببریم. ماده تاریک حدود 26.8 درصد از کل ماده و انرژی جهان را تشکیل می‌دهد. از سوی دیگر، انرژی تاریک یک میدان انرژی اسرارآمیز است که انبساط کیهان را تسریع می‌کند و حدود 68.3 درصد از کل جرم و انرژی موجود در کیهان را تشکیل می‌دهد. 4.9 درصد باقیمانده هر چیز دیگری است که ما می‌توانیم در کیهان ببینیم: افراد، سیارات، ستارگان، سحابی‌ها و کهکشان‌ها.

ماده تاریک و انرژی تاریک با هم بر هندسه جهان تأثیر می‌گذارند. توده‌های ماده تاریک چاه‌های گرانشی ایجاد می‌کنند که می‌توانند مسیرهای مستقیم نور را از اجسام دورتر خم کنند، در حالی که انرژی تاریک با هدایت سرعت انبساط جهان، توده‌های ماده را از یکدیگر دور می‌کند و چگالی کلی ماده را کاهش می‌دهد. کیهان. اخترشناسان با اندازه‌گیری چگونگی تأثیر آن‌ها بر جهان، می‌توانند بینش‌های مهمی در مورد طبیعت گیج‌کننده خود به دست آورند.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

Euclid mission: ESA’s hunt for dark matter and dark energy

By Keith Cooper Contributions from  Elizabeth Howell

https://www.space.com/36195-euclid-esa-facts.html