Start des europäischen „Dark Energy Telescope“ zur Erforschung der größten Geheimnisse der Kosmologie

SpaceX startete am Samstag das 1,5 Milliarden US-Dollar teure Euklid-Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumorganisation, einen ehrgeizigen und einzigartigen Versuch, die Natur der Dunklen Materie – einer unbekannten Substanz, die das Universum durchdringt – und der Dunklen Energie, der mysteriösen abstoßenden Kraft, die die Expansion des Universums beschleunigt, zu bestimmen .

„Es ist sehr schwierig, eine schwarze Katze in einem dunklen Raum zu finden, besonders wenn dort keine Katze ist“, sagte Henk Hoekstra, Astronom an der Universität Leiden und Koordinator von Euclid Science. „Das ist eine Situation, in der wir uns ein wenig befinden, weil wir diese Beobachtungen haben, aber keine gute Theorie haben.“

„Bisher hat niemand eine gute Erklärung für dunkle Materie, dunkle Energie und andere Herausforderungen gefunden, die auch mit der Teilchenphysik zusammenhängen. … Euclids Start trägt die Kosmologie wirklich in die Zukunft. Es ist die erste Weltraummission, die sich der Erforschung der Dunkelheit widmet.“ Energie.“

Im Jahr 1998 erwarteten Astronomen, die die Expansion des Universums kartierten, eine Verlangsamung aufgrund der Anziehungskraft aller seiner Komponenten. Sie waren erstaunt, als sie herausfanden, dass die Ausdehnung des Weltraums und alles darin sich vor 5 bis 6 Milliarden Jahren zu beschleunigen begann. Die unbekannte Kraft, die diese Beschleunigung antreibt, wurde dunkle Energie genannt.

Forscher sind inzwischen zu dem Schluss gekommen, dass dunkle Energie fast drei Viertel des kollektiven Energiehaushalts des gesamten Universums ausmacht. Dunkle Materie macht etwa 24 % des Universums aus, während Atome und Moleküle die normale Materie – Erde, Menschen, Sterne und Galaxien – nur 5 % ausmachen.

Durch die Untersuchung subtiler Lichtveränderungen von Galaxien in den letzten 10 Milliarden Jahren werden Euclids Kameras Wissenschaftlern dabei helfen herauszufinden, ob dunkle Energie mit einer unveränderlichen „kosmologischen Konstante“ übereinstimmt, die von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wird, oder ob das aktuelle Verständnis der Schwerkraft überarbeitet werden muss . Rezension.

Yannick Miller, Astronom am Astrophysikalischen Institut in Paris und Mitglied des Wissenschaftsteams von Euklid, drückte es so aus:

Das Ziel von Euklids Mission ist es, Antworten auf die folgenden Fragen zu geben: Warum beschleunigt sich die Expansion des Universums? Was ist die Natur der dunklen Energie? Ist sie eine kosmologische Konstante? Handelt es sich um dynamische dunkle Energie, deren Eigenschaften variieren können? Zeit? Oder ist es eine Abweichung von der Allgemeinen Relativitätstheorie auf kosmischen Skalen?

Gleichzeitig wird Euklid auch die Natur der Dunklen Materie untersuchen, einem Meer aus Teilchen, die weder Licht noch andere elektromagnetische Strahlung aussenden oder reflektieren, sondern die Auswirkungen der Schwerkraft deutlich zeigen. Dunkle Materie verhindert, dass Galaxien entkommen, und beeinflusst, wie sich Galaxien in den 13,7 Milliarden Jahren seit dem Urknall entwickelt haben und zusammenkamen.

„Euclid wird die Verteilung der Dunklen Materie und die Verteilung von Galaxien mit beispielloser Auflösung aus dem Weltraum untersuchen“, sagte Millier. „Es wird auch die kosmische Geschichte des Universums in den letzten 10 Milliarden Jahren rekonstruieren.“

Dies geschieht durch die Abbildung von mehr als 10 Milliarden Galaxien. Software auf der Erde wird dabei helfen, die 1,5 Milliarden oder mehr besten Kandidaten zu identifizieren und zu analysieren, wie ihre Formen durch die unsichtbaren Wolken aus dunkler Materie verzerrt werden, die den Raum zwischen Euklid und seinen Zielen füllen.

Die als schwache Gravitationslinse bekannte Technik ähnelt im Konzept der Art und Weise, wie Wasser die Formen von über einen Bach verstreuten Steinen leicht verzerrt. Aus kosmologischer Sicht handelt es sich um einen sehr subtilen Effekt, dessen Entdeckung komplexe Software, leistungsstarke Computer und mehr als 1.500 Wissenschaftler in neun Forschungszentren erfordert.

Aber wenn alles gut geht, wird Euclid „die Verteilung der Dunklen Materie direkt beobachten, indem er einen Gravitationslinseneffekt nutzt, der die Formen von Galaxien verändert, die durch die Verteilung der Dunklen Materie entlang einer bestimmten Sichtlinie abgelenkt werden“, sagte Millier. „Dies wird die Verteilung der Dunklen Materie ermöglichen, die in einem euklidischen Feld nicht sichtbar ist.“

Spektralbeobachtungen von zig Millionen Galaxien werden es Forschern ermöglichen, Entfernungen und Geschwindigkeiten in drei Dimensionen zu bestimmen und Aufschluss darüber geben, ob dunkle Energie tatsächlich die Kraft hinter der Beschleunigung der kosmischen Expansion ist oder ob eine andere Erklärung erforderlich ist.

Die Mission begann am Samstag um 11:12 Uhr EST, als eine SpaceX Falcon 9-Rakete auf der Cape Canaveral Space Force Station zum Leben erwachte. Nach einer kurzen Runde von Computerkontrollen wurde die Rakete gestartet, um eine Schubkraft von 1,7 Millionen Pfund zu übertreffen und den Anwohnern und Touristen der Gegend ein spektakuläres Himmelsspektakel am Wochenende zu bieten.

41 Minuten später, nach zwei Salven des Zweitstufentriebwerks der Rakete, wurde Euclid zum Alleinflug gestartet. Die erste Stufe der Falcon 9 flog, wie bei SpaceX üblich, selbst zur Landung auf einer Offshore-Drohne.

Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) bereitete letztes Jahr den Start des Euclid-Weltraumteleskops mit einer russischen Sojus-Rakete vor, die in Kourou, Französisch-Guayana, startete. Doch nach der russischen Invasion in der Ukraine scheiterten diese Pläne, sodass Euklid keinen Flug ins All mehr unternehmen konnte.

Im vergangenen Juli kontaktierte die Europäische Weltraumorganisation SpaceX wegen eines möglichen Starts der Falcon-9-Rakete des Unternehmens. Am Ende des Jahres waren die Verträge in Kraft und das Team konnte mit dem Start am Samstag fortfahren.

„Wir schulden SpaceX ein großes Dankeschön“, sagte Mike Healy, Leiter der Wissenschaftsprojekte bei der Europäischen Weltraumorganisation. „Ohne sie wird unser Satellit zwei Jahre auf der Erde bleiben.“

Euclid ist auf dem Weg zu einer Region des Weltraums, die fast eine Million Meilen von der Erde entfernt ist – Lagrange-Punkt 2 –, wo sich die Schwerkraft von Sonne und Erde zu einer ruhigen Zone zusammenfügt, in der das Raumschiff mit minimalem Manövrieren und minimalem Treibstoffverbrauch an Ort und Stelle bleiben kann. Das James Webb-Weltraumteleskop arbeitet ebenfalls auf L2.

Der 4.760 Pfund schwere Euclid ist mit einem nahezu perfekten 3 Fuß mal 11 Zoll großen Hauptspiegel und zwei Instrumenten ausgestattet: einer 600-Megapixel-Kamera für sichtbares Licht und einem 64-Megapixel-Infrarotspektrophotometer. Das Sichtfeld des Teleskops ist etwa doppelt so groß wie das des Vollmondes.

Nach einer einmonatigen Überprüfungs- und Kalibrierungsphase wird Euclid damit beginnen, die 15.000 Quadratgrad des Himmels zu kartieren, der den gesamten Raum außerhalb der Milchstraße umfasst, und dabei Galaxien und Galaxienhaufen abbilden, die 10 Milliarden Jahre alt sind.

Es wird den Übergang von der anfänglichen Verlangsamung des gravitativ angetriebenen Universums zu einer Ära beschleunigter Expansion unter der aufkommenden Dominanz der dunklen Energie einfangen.

„Euklid kann auf einen Schlag ein viel größeres Feld darstellen, als Hubble erreichen kann“, sagte Rene Lorigs, Euklid-Projektwissenschaftler bei der Europäischen Weltraumorganisation. „Während seiner gesamten Lebensdauer hat Hubble nie mehr als 100 Quadratgrad zurückgelegt, und Euklid konnte das in 10 Tagen schaffen. Um also 15.000 Quadratgrad zu erreichen, was der Größe unserer Himmelsdurchmusterung entspricht, brauchen wir diese großen Himmelsbilder.“

Euklid würde sechs Jahre brauchen, um seine Himmelskarte fertigzustellen, und dabei etwa 100 Gigabyte an komprimierten Daten pro Tag oder schätzungsweise 70.000 Terabyte im Verlauf der Mission generieren.

„Ihr iPhone hat wahrscheinlich 10 Megapixel“, sagte Jason Rhodes, Mitglied des Euclid Research Consortium. Die beiden Euclid-Kameras haben also zusammen etwa 700 Megapixel. Wir werden sechs Jahre lang alle paar Minuten Bilder mit diesen Kameras machen.

„Aber die Datenmenge, die wir senden, ist im Vergleich zu der Datenmenge, die sich am Ende des Prozesses vollständig im Archiv befindet, geringer, und das ist ein weiterer Faktor tausend.“

Diese Bilder werden 8 Milliarden Galaxien umfassen, sagte Gaitee Hussain, Wissenschaftschef der ESA: „Die besten zwischen eineinhalb und zwei Milliarden Galaxien werden für das schwache Linsenexperiment ausgewählt.“

„Wir werden Millionen und Abermillionen spektraler Rotverschiebungen zusätzlich zu Milliarden optischer Rotverschiebungen sammeln, um die Entfernungen der Galaxien, die wir betrachten, zu verstehen“, fügte sie hinzu.

„Das bedeutet enorme Datenraten, nicht nur für die Datenübermittlung zurück zur Erde, sondern auch im Hinblick auf die Datenkommunikation … Das ist nötig, um die wohl grundlegende Frage der heutigen Physik und Kosmologie zu beantworten, nämlich: Was ist das Universum?“ eigentlich aus?“