Jau netrukus atrasime daug naujo apie mūsų Visatą! Kuo ypatinga Euklido kosminė misija

Vienas esminių kosmologijos klausimų – kaip Visata susiformavo nuo Didžiojo Sprogimo iki dabar. Nuo pirmykštės homogeniškos medžiagos iki hierarchinės struktūros: galaktikų spiečių ir jų struktūrų, žvaigždžių, planetų ir to, kas vyksta jose. Kosmoso įsivaizdavimas remiasi gerai nesuprastomis prielaidomis: pradinėmis Visatos egzistavimo sąlygomis, pačios gravitacijos prigimtimi ir dviem Visatos komponentėmis, tamsiąja medžiaga ir tamsiąja energija, kurias taip vadiname, nes jų paprasčiausiai nematome ir apie jas tegalime spręsti iš gravitacinio poveikio stebimai medžiagai.

Net 76 % mūsų Visatos sudaro tamsioji energija, kuri verčia plėstis pačią erdvę. Remiantis Einšteino teorijoje pristatyta kosmologine konstanta, ši energija turėtų būti \(10^{60}\) kartų didesnė, nei stebime, ir tai yra absoliučiai didžiausias neatitikimas tarp teorijos ir stebėjimų modernioje fizikoje. Dar 20 % sudaro tamsioji medžiaga, aptinkama tik pagal jos kuriamą gravitaciją. Nors yra itin blyškių objektų, pavyzdžiui, neįsižiebusių, nesusiformavusių per mažos termobranduoliniams procesams vykti dujų dabesies masės, žvaigždžių ar net juodųjų bedugnių, kurias itin sunku stebėti, jų gerokai per mažai, kad galėtų sudaryti didžiąją tamsiosios medžiagos dalį. Ši medžiaga nėra homogeniška, kaip tamsioji energija, ir jos poveikį matome lokaliai. Pavyzdžiui, galaktikos, tokios kaip Paukščių Takas, turi tamsiosios medžiagos halus, kurie veikia žvaigždžių sukimosi apie galaktikos centrą greitį. Dalelių fizika siūlo keletą teorijų, kas galėtų sudaryti tamsiąją medžiagą, bet kol kas atsakymas nėra aiškus. Šie Visatos sudėties procentai iliustruoja, kiek mažai žinome, bet tuo pačiu skatina tolesnius stebėjimus. Modernioms teorijoms atskirti ir atmesti reikia itin tikslių duomenų iš plačios dangaus aprėpties apžvalgų, ir būtent čia pasitarnaus Euklido kosminė misija.

Euklido kosminė observatorija tirs du reiškinius: gravitacinus lęšius ir barionines akustines osciliacijas.

Euklido kosminė misija tirs pastarųjų 10 milijardų metų, t.y., apie 75 % Visatos amžiaus, didelio mastelio kosminės struktūros kitimą. Priklausomai nuo gravitacinio poveikio, t.y., tamsiosios energijos sukeliamo plėtimosi ir tamsiosios energijos lokalaus traukimosi, didelio mastelio galaktikų ir jų spiečių erdvinis pasiskirstymas kinta. Nepamirškime, kad šviesos greitis baigtinis, tad, kuo tolimesnius objektus stebime, tuo iš senesnių laikų mus pasiekusią šviesą matome. Euklido kosminė observatorija tirs du reiškinius: gravitacinus lęšius ir barionines akustines osciliacijas. Gravitacinis lęšis yra toks reiškinys, kai iškrepiamas erdvėlaikis greta gravitacijos šaltinio, todėl pasikeičia iš už jo atskriejančių fotonų trajektorija – panašiai paprastame lęšyje, pvz., akiniuose, dėl didesnis stiklo lūžio rodiklio, lygiagretus šviesos srautas sukoncentruojamas. Kuo stipresnė gravitacija, tuo didesnis poveikis, tad, remdamiesi žiniomis apie spinduliuojantį šaltinį, galime įvertinti nematomo objekto masę. Tam Euklido observatorija stebės galaktikų formų pokyčius tarp jų ir mūsų atsiduriant gravitaciniams lęšiams.

Barioninės akustinės osciliacijos stebimos kaip specifiniai galaktikų spiečių šviesos raštai, priklausantys nuo gravitacijos. Abiem atvejais būtina žinoti atstumus iki pačių stebimų galaktikų. Kadangi šie metodai skirtingi, stebint tą pačią erdvę, bus galima išvengti sisteminių klaidų, galinčių kilti dėl konkretaus metodo (jei abu metodai duoda skirtingus įverčius už statistinių paklaidų ribų, vadinasi klaida turi būti sisteminė).

Kad būtų galima stebėti galaktikų formų pokyčius, gravitacinio lęšio tyrimams reikia didelės erdvinės skyros galaktikų nuotraukų, o kad būtų galima fotometriškai įvertinti atstumą iki galaktikų – fotometrijos regimojoje ir infraraudonojoje spektro srityje. Barionines akustines osciliacijas stebėti reika infraraudonojoje spektro dalyje veikiančiu spektrografu – juo matuojamas spektro linijų raudonasis poslinkis (bangos ilgio pokytis, atsirandantis, kai objektas nuo mūsų tolsta). Visiems šiems matavimams reikia itin stabilios aparatūros ir didelės dangaus ploto aprėpties, ko negalima pasiekti iš Žemės.

Norėdami suprasti tamsiosios energijos prigimtį, pirmiausiai turėtume charakterizuoti jos būsenos lygtį. Galbūt prisimenate idealiųjų dujų būsenos lygtį iš mokyklos, kuri tiesiog aprašo dujų būseną, tai yra, dujų būsenos priklausomybę nuo žinomų kintamųjų ir konstantų. Kosmologijoje būsenos lygtis charakterizuojama bedimensiniu dydžiu – santykiu tarp slėgio ir energijos tankio. Šis skaičius rodo, Visata traukiasi ar plečiasi, pastoviu greičiu ar greitėdama. Šio skaičiaus vertę konkrečiu metu turbūt geriau įvertinti remiantis kitų misijų rezultatais. Kol kas visi turimi duomenys rodo, kad ši vertė yra itin artima -1. Euklido kosminė misija leis įvertinti šio dydžio pokyčius pagal didelio mastelio struktūrų vaizdą skirtingu laiku. Jei ši vertė nors kiek svyruos (įvertinus paklaidas), bus galima atmesti teorijos dalį, kad tamsiosios energijos būsenos lygtis nepriklauso nuo laiko. Remiantis dabartiniais stebėjimais, sunku pasakyti, kokio dydžio svyravimai galimi: tikimasi, kad remiantis Euklido stebėjimais būsenos lygtį bus galima įvertinti bent 1 % tikslumu. Svarbu pastebėti, kad bet kokie statistiškai reikšmingi pokyčiai jau būtų nemaža sensacija mokslo pasaulyje. Mažų mažiausiai tikimasi, kad taip bus galima nustatyti, ar gravitacijos poveikiui nustatyti užtenka Einšteino reliatyvumo teorijos, o gal reikia ją kažkaip modifikuoti.

Kartu su beprecedenčio tikslumo tamsiosios medžiagos pasiskirstymo matavimais, tikimasi rasti suminės visų rūšių neutrinų masės ribas. Neutrinų mases išmatuoti Žemėje itin sudėtinga, tačiau pirmykštėmis sąlygomis jie šiek tiek paveikė Visatos nehomogeniškumo formavimąsi. Net ir mažos masės neutrinai skriejantys reliatyvistiniais greičiais gali nežymiai pristabdyti medžiagos fragmentaciją. Nežinome, ar skirtingos neutrinų rūšys priklauso įprastai hierarchijai (dvi lengvų neutrinų rūšys, viena masyvių neutrinų), ar atvirkščiai (viena rūšis lengvų neutrinų, dvi masyvių). Euklido observatorijos stebėjimai leis vienareikšmiškai atsakyti į šį klausimą, jei remiantis neutrinų poveikiu kosmologinio mastelio struktūroms suminė neutrinų rūšių masių suma bus maža.

Atitinkamai, Euklido stebėjimai padės geriau apibrėžti tamsiosios medžiagos savybes. Ši taip pat turi poveikį struktūrų formavimuisi, skirtingai nei neutrinai, nejuda reliativystiniais greičiais ir savaip veikia didžiausių struktūrų formavimąsi. Manoma, kad tamsiosios medžiagos dalelės tik labai ribotai sąveikauja tarpusavyje. Euklido kosminė misija leis iki tūkstančio kartų labiau apriboti šių dalelių tarpusavio sąveikos maksimalius skerspjūvius, nei žinome dabar, o jei tikrieji skerspjūviai yra tarp dabartinės tikslumo ribos ir to tūkstančio kartų, – juos įvertinti. Tai bus ir svarbi nepriklausoma informacija Žemėje vykdomiems šiuos skerspjūvius tiriantiems eksperimentams, tiek siekiant išvengti sisteminių paklaidų, tiek dėl to, kad šie duomenys yra iš visai kito laikmečio.

Kartu su Planko kosmine misija Euklidas visa skaičių dydžio eile patikslins žinias apie Visatos nehomogenišką ir mus supančias struktūras sukūrusių pirminių perturbacijų charakteristikas. Šios struktūros, manoma, atsirado vadinamuoju infliacijos periodu, kuomet laikinai Visata plėtėsi sparčiau už šviesos greitį (nepamirškime, kad plėtėsi pati erdvė, o ne judėjo dalelės). Pasak šios teorijos, tuo metu natūralūs kvantiniai svyravimai buvo tarsi įšaldyti ir tapo makroskopiniais, o tai reiškia, kad buvusi homogeniška medžiaga tapo nehomogeniška ir pradėjo fragmentuotis dėl gravitacijos poveikio (dalelės vėl galėjo viena kitą paveikti). Ši teorija gan gerai paaiškina, kodėl iš homogeniškos medžiagos atsirado nehomogeniška. Geriau suprasti šią keistą epochą padės Euklido didžiųjų Visatos struktūrų stebėjimai, nes jų charakteristikos tiesiogiai priklauso nuo to, kada infliacija baigėsi ir kaip ji vyko.

Reiktų atkeipti dėmesį, kad Euklido gaunami duomenys yra naudingi universaliai – pasitarnaus ir kitiems tyrimams, ne tik Euklido misijai keliamiems tikslams. Euklido kameros skirtos stebėti ir išskirti itin tolimas ir blyškias galaktikas, tačiau iki 5 megaparsekų atstumu jos galės išskirti ir atskiras žvaigždes galaktikose, taip bus galima morfologiškai ir pagal spektrinius tipus charakterizuoti galaktikas mūsų aplinkoje. Taip pat šios misijos stebėjimai leis charkterizuoti ir kiek tolimesnių galaktikų morfologijas, mases ir žvaigždėdaros spartas iki 4 kartų geresne skyra ir iki 3 ryškių giliau, nei galima nuo Žemės paviršiaus. Kartu su kitais teleskopais Euklido observatorija leis charakterizuoti artimesnių galaktikų spiečius, aptikti apie 100 000 naujų stiprių gravitacinių lęšių.

Taip pat duomenys iš Euklido apžvalgos bus esminė paskata nukreipti labiau fokusuotus, mažesnio dangaus ploto aprėpties stebėjimus, tokius kaip būsimo James Webb kosminio teleskopo, kuris galės geriau išskirti ir tirti, pavyzdžiui, galimus kvazarus, aptiktus Euklido apžvalgoje. Taip pat net ir mūsų Galaktikos stebėjimuose Euklido apžvalga papildys Gaia apžvalgą tiek duomenimis mažesnio ryškumo žvaigždėms (keletu ryškių), tiek pateiks naujų fotometrinių ir spektrografinių duomenų artimų infraraudonųjų spindulių srityje ir taip padės išvengti amžiaus-metalingumo išsigimimo. Pastarieji dydžiai koreliuoja, nes senesnėse žvaigždėse yra mažiau kitų žvaigždžių nukleosintezės produktų (elementų sunkesnių už helį), bet be Euklido duomenų sudėtinga atskirti amžių nuo metalingumo ir atitinkamai tai apsunkina Galaktikos cheminės evoliucijos tyrimus.

Paskutinės naujienos iš Euklido kosminės misijos yra, kad 2018 m. lapkritį atlikta kritinė kosminės observatorijos dizaino patikrą ir dabar ji gali būti surenkama. Pirminiuose planuose 2018 m. jau buvo tikmasi ją paleisti į kosmosą, tačiau visa sistema susijusi su infraraudonaisiais detektoriais turėjo būti perdaryta dėl aptiktų gedimų vos pristačius komponentus Europos kosmoso agentūrai. Pats kosminis aparatas svers 2,1 tonos, bus 4,5 m aukščio ir 3,1 m spindulio (be antenų ir pan.) Planuojama misijos trukmė – 6 metai. Patį teleskopą sudaro trys veidrodžiai efektyviai sudarantys 1,2 m diametrą (palyginimui, didžiausio Molėtų astronomijos observatorijos teleskopo diametras yra 1,65 m). Tikėkimės, kad daugiau trikdžių nebus ir jau netrukus atrasime daug naujo apie mūsų Visatą!

J. Klevas

Parengta remiantis: https://sci.esa.int/documents/33220/36137/1567255801368-EUCLID_RB_Issue_1-1_2011-09-29HighQ.pdf