Пять самых больших загадок, которые поможет решить Евклид

Пользовательская оценка: 5 / 5

Обследуя Вселенную за пределами нашей галактики, Евклид попытается раскрыть секреты космической паутины и, возможно, объяснить, как невидимая темная материя и экзотическая темная энергия влияют на структуру и эволюцию Вселенной. Евклид в основном сосредоточится на двух основных темах программы космического видения Европейского космического агентства: каковы основные физические законы Вселенной? Как возникла Вселенная и из чего она состоит?

1. Какова структура и история космической сети?

Вещество во Вселенной устроено огромной упорядоченной паутиной, напоминающей «космическую паутину». Эта «паутина» состоит из огромных скоплений галактик, соединенных невидимыми нитями газа и темной материи. Между ними находятся гигантские пустые области, называемые космическими пустотами. Изучение космической паутины является сложной задачей из-за ее размера: космические пустоты простираются на сотни миллионов световых лет. Euclid обследует более трети неба, чтобы собрать информацию о форме, размере и расположении миллиардов галактик.

Глядя в глубины неба, Евклид также оглянется назад во времени и визуализирует десять миллиардов лет космической истории. Это потому, что чем дальше от нас находится звезда, тем больше времени требуется, чтобы ее свет достиг нас. Тщательно картографируя форму и распределение большого количества галактик, Евклид раскроет структуру и историю космической сети. Хотя темная материя нам не видна, ее присутствие искажает свет далеких галактик. Этот эффект называется гравитационным линзированием, и его может наблюдать Евклид, показывая, как темная материя распределяется по Вселенной.

2. Какова природа темной материи?

Несмотря на десятилетия исследований, мы до сих пор не знаем, из чего состоит недостающая масса, так называемая темная материя, во Вселенной. Сравнение различных космологических моделей и измерений на данный момент привело к гипотезе, что большая часть темной материи состоит из «холодных» частиц, а это означает, что они тяжелые и движутся относительно медленно. Однако вполне возможно, что часть темной материи состоит из легких частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, так называемой «горячей» темной материи. Вопрос о том, сколько темной материи, если она вообще есть, остается актуальным. Горячая темная материя может состоять из «частиц-призраков», называемых нейтрино, которые очень слабо взаимодействуют с другой материей. Хотя изначально предполагалось, что нейтрино не имеют массы, теперь есть свидетельства того, что они имеют очень маленькую массу.

Мы можем использовать точные измерения космической структуры Евклида, чтобы узнать общую массу нейтрино в нашей Вселенной и процент темной материи, которая может состоять из нее. Несмотря на свое гравитационное поле, нейтрино имеют тенденцию замедлять формирование структур и искажать их из-за своего быстрого движения. Самое захватывающее открытие будет тем, чего мы меньше всего ожидаем. Беспрецедентные наблюдения Евклида за Вселенной за пределами галактики могут выявить существование новых типов быстро движущихся частиц. Детектив Темной Вселенной ведет расследование!

3. Как менялось расширение Вселенной с течением времени?

В 1990-х годах космологи сделали удивительное открытие, что Вселенная расширяется гораздо быстрее, чем раньше. Вселенная расширялась с момента своего возникновения в результате Большого взрыва, но до недавнего времени ученые предполагали, что скорость, с которой Вселенная расширяется, со временем будет уменьшаться, потому что этому расширению препятствует гравитационная сила всей материи во Вселенной. Понимание ускоряющегося расширения остается одной из главных задач космологии и фундаментальной физики. Доказательства переменной скорости расширения основаны на наблюдаемых различиях в яркости и цвете так называемых «стандартных свечей»: астрономических объектов с известной постоянной светимостью. Далекие объекты будут казаться нам более тусклыми, в то время как растяжение пространства-времени увеличивает длину волны света на пути к нам — эффект покраснения, называемый красным смещением. Евклид также измерит красное смещение галактик, что поможет нам определить расстояние между ними и нами.

Сканируя более трети неба с помощью телескопа, достаточно чувствительного, чтобы увидеть свет, который дошел до нас за 10 миллиардов лет, Евклид может рассказать нам, как расширялась Вселенная с течением времени. Благодаря широкому углу обзора Евклид также может проверить, одинаково ли расширение во всех направлениях. В противном случае это противоречило бы так называемому космологическому принципу, утверждающему, что Вселенная в достаточно большом масштабе кажется симметричной во всех направлениях (изотропия) и отовсюду (однородность). Это эмпирическое правило лежит в основе почти всех моделей и анализов, используемых в космологии.

4. Какова природа темной энергии?

Знать в деталях, как (и что) расширяется Вселенная, — это одно, но мы также хотим знать движущую силу, стоящую за этим. Космологи назвали эту неизвестную составляющую Вселенной «темной энергией». Никто не знает, из чего он сделан и является ли он формой энергии! Лучшей рабочей гипотезой является то, что было предложено Альбертом Эйнштейном еще в 1917 году. Он включил в свои расчеты «космологическую постоянную», которая представляет собой постоянное энергетическое поле, существующее во Вселенной. Это неотъемлемое свойство космического вакуума, поэтому чем больше пространство, тем больше «энергия вакуума» (темная энергия) и тем сильнее его эффекты.

Есть и другие альтернативы. Например, ускорение может быть вызвано пятой фундаментальной силой природы, которая развивается вместе с расширением Вселенной. В отличие от космологической постоянной, эта «сущность» динамична, зависит от времени и неравномерно распределена по Вселенной. Любое объяснение того, чем на самом деле является темная энергия, незначительно меняет способ изменения ускорения в космическом времени, но до сих пор ни один эксперимент не смог измерить ускорение достаточно подробно, чтобы различить возможные решения. Тщательные и точные измерения Евклида изменят это положение и, мы надеемся, раскроют истинную природу темной энергии.

5. Действительно ли мы полностью понимаем гравитацию?

Присутствие темной материи и ускоряющееся расширение Вселенной указывают на то, что мы упускаем что-то важное. У этих двух удивительных открытий есть одна общая черта: все они связаны с гравитацией. Гравитация удерживает вместе планеты, звезды, солнечные системы и даже галактики. Мы испытываем это каждый день: это удерживает нас на земле и заставляет вещи падать, а не в другом направлении. Лучшая теория, которая у нас есть для описания гравитации, — это общая теория относительности Альберта Эйнштейна. В нем он утверждает, что гравитация — это не буквальное притяжение, а скорее следствие того, что массивные объекты искривляют пространство-время. Объект с массой искажает пространство-время, как тяжелый мяч, толкающий мат батута. При сгибании батутного коврика более легкие шарики на батутном коврике автоматически катятся к центру.

Общая теория относительности имеет и другие следствия, включая существование черных дыр и гравитационных волн. более быстрое или более медленное течение времени для разных наблюдателей в зависимости как от их относительной скорости и ускорения, так и от гравитационной силы, которой они подвергаются; На пути света также влияет гравитация. Предсказания общей теории относительности снова и снова подтверждались. Но эта теория никогда не проверялась с большой точностью на огромных расстояниях и временах, которые предстояло преодолеть Евклиду. Таким образом, Евклид покажет, не подведет ли эта проверка в максимально возможном масштабе общую теорию относительности. Если это так, физикам придется вернуться к чертежной доске.

источник: ЕКА