Новый космический телескоп ЕКА Эвклид должен быть запущен в июле, чтобы выяснить, почему расширение Вселенной ускоряется. Ученые называют неизвестную причину этого космического ускорения «темной энергией». К маю 2027 года космический телескоп НАСА Нэнси Грейс Роман присоединится к Евклиду, чтобы исследовать эту загадку способами, которые раньше были невозможны.
«Спустя двадцать пять лет после открытия ускоренное расширение Вселенной остается одной из самых неотложных загадок в астрофизике», — сказал Джейсон Родс, старший научный сотрудник Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии. Родс является заместителем научного сотрудника Романа и научным руководителем проекта Евклид в США. «С помощью этих будущих телескопов мы будем измерять темную энергию по-разному и с гораздо большей точностью, чем это было возможно ранее, открывая новую эру исследования этой тайны».
Ученые не уверены, вызвано ли ускоренное расширение Вселенной дополнительным энергетическим компонентом или же оно сигнализирует о том, что понимание гравитации необходимо каким-то образом изменить. Астрономы будут использовать оба телескопа для одновременной проверки обеих теорий, и ученые ожидают, что обе миссии раскроют важную информацию об основных принципах функционирования Вселенной.
Евклид и Роман оба предназначены для изучения космического ускорения, но используют разные и дополняющие друг друга стратегии. Обе миссии создадут трехмерные карты Вселенной, чтобы ответить на фундаментальные вопросы об истории и структуре Вселенной. Вместе они будут дадут больше информации, чем каждый по отдельности.
Евклид будет наблюдать гораздо большую область неба — примерно 15 000 квадратных градусов, или около трети неба — как в инфракрасном, так и в оптическом диапазоне, но с меньшими подробностями, чем Роман. Он заглянет на 10 миллиардов лет назад, когда Вселенной было около 3 миллиардов лет.
Нэнси Грейс Роман сможет исследовать Вселенную с гораздо большей глубиной и точностью, но на меньшей площади — около 2000 квадратных градусов, или одна двадцатая часть неба. Его инфракрасное зрение раскроет космос, когда ему было 2 миллиарда лет, и обнаружит большее количество более тусклых галактик. В то время как Евклид сосредоточится исключительно на космологии, Роман также будет исследовать близлежащие галактики, находить и исследовать планеты по всей нашей галактике, изучать объекты на окраинах нашей Солнечной системы и многое другое.
Охота за темной энергией
Вселенная расширялась с момента своего рождения — факт, открытый бельгийским астрономом Жоржем Леметром в 1927 году и Эдвином Хабблом в 1929 году. Но ученые ожидали, что гравитация материи Вселенной постепенно замедлит это расширение. В 1990-х годах, изучая особый вид сверхновых, ученые обнаружили, что около 6 миллиардов лет назад темная энергия начала усиливать свое влияние на Вселенную, и никто не знает, как и почему. Тот факт, что расширение ускоряется, означает, что в нашей картине космоса отсутствует что-то фундаментальное.
Ожидается, что космические телескопы NASA Nancy Grace Roman и ESA Euclid предоставят отдельные потоки убедительных новых данных, чтобы заполнить пробелы в понимании процессов во Вселенной. Они попытаются определить причину космического ускорения несколькими различными способами.
Во-первых, и Роман, и Евклид будут изучать накопление материи с помощью метода, называемого слабым гравитационным линзированием. Это явление искривления света происходит потому, что все, что имеет массу, искажает ткань пространства-времени; чем больше масса, тем больше искривление. Изображения удаленного источника, создаваемые светом, проходящим через эти деформации, также выглядят искаженными. Когда эти более близкие «линзирующие» объекты представляют собой массивные галактики или скопления галактик, фоновые источники могут казаться размытыми или формировать множественные изображения.
Менее концентрированная масса, такая как сгустки темной материи, может создавать более тонкие эффекты. Изучая эти меньшие искажения, Роман и Евклид создадут трехмерную карту темной материи. Это даст ключ к разгадке космического ускорения, потому что гравитационное притяжение темной материи, действующее как космический клей, скрепляющий галактики и скопления галактик, препятствует расширению Вселенной. Подсчет количества темной материи во Вселенной в течение всего космического времени поможет ученым лучше понять взаимосвязь, подпитывающую космическое ускорение.
Две миссии также изучат, как галактики группировались вместе в разные космические эпохи. Ученые обнаружили закономерность в том, как собираются галактики, на основе измерений близлежащей Вселенной. Для любой современной галактики мы примерно в два раза чаще находим другую галактику на расстоянии около 500 миллионов световых лет, чем чуть ближе или дальше.
Это расстояние со временем росло из-за расширения пространства. Заглянув дальше во вселенную, в более ранние космические времена, астрономы могут изучить предпочтительное расстояние между галактиками в разные эпохи. Наблюдение за тем, как оно изменилось, откроет историю расширения Вселенной. Наблюдение за тем, как кластеризация галактик меняется со временем, также позволит точно проверить гравитацию. Это поможет астрономам различать неизвестный компонент энергии и различные модифицированные теории гравитации в качестве объяснения космического ускорения.
Роман проведет дополнительное исследование, чтобы обнаружить много далеких сверхновых — особого типа взрывающихся звезд. Пик этих взрывов имеет одинаковую внутреннюю яркость. Из-за этого астрономы могут определить, как далеко находятся сверхновые, просто измерив, насколько яркими они кажутся.
Астрономы будут использовать телескоп Nancy Grace Roman для изучения света этих сверхновых, чтобы узнать, как быстро они удаляются от нас. Сравнивая скорость их удаления на разных расстояниях, ученые смогут проследить космическое расширение с течением времени. Это поможет нам лучше понять, менялась ли и как темная энергия на протяжении всей истории Вселенной.
Мощная пара
Исследования двух миссий будут перекрываться, и ESA Euclid, вероятно, будет наблюдать за всей областью, которую будет сканировать Роман. Это означает, что ученые смогут использовать более чувствительные и точные данные Nancy Grace Roman для дополнения данных Евклида.
«Первый взгляд Евклида на обширную область неба, которую он будет исследовать, даст информацию для науки, анализа и подхода к исследованию для более глубокого погружения Романа», — сказал Майк Сейфферт, научный сотрудник проекта по вкладу НАСА в Евклид в Лаборатории реактивного движения НАСА.
«Вместе Евклид и Роман составят намного больше, чем сумма их частей», — сказал Юн Ван, старший научный сотрудник Калифорнийского технологического института/IPAC в Пасадене, Калифорния, который руководил научными группами по кластеризации галактик как для Евклида, так и для Романа. «Объединение их наблюдений даст астрономам лучшее представление о том, что на самом деле происходит во Вселенной».
