Euclid: Die Suche der ESA nach Dunkler Materie und Dunkler Energie

Eine Künstlerin

Ein künstlerisches Konzept der Euklid-Mission der ESA zur Erforschung der Dunklen Energie. (Bildnachweis: ESA / C. Carreau)



Euclid ist eine von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) geplante Mission, die darauf abzielt, mehr über die Teile des Universums zu erfahren, die wir nicht sehen können – insbesondere dunkle Energie und dunkle Materie. Diese bilden den größten Teil des Universums und sollen für Phänomene wie die Beschleunigung der Expansion des Universums verantwortlich sein.



Euclid soll 2020 von Französisch-Guayana an Bord einer Sojus-Rakete starten. Es wird ungefähr 30 Tage dauern, bis Euklid seinen Weg zu seinem geplanten Standort im Weltraum findet, einem gravitationsstabilen Bereich, der als a . bekannt ist Lagrange-Punkt . Euklid wird sich auf L2 befinden, das ungefähr eine Million Meilen von der Erde entfernt liegt, aber in der entgegengesetzten Richtung der Sonne. An diesem Punkt, mit der Erde, dem Mond und der Sonne dahinter, kann ein Raumschiff einen klaren Blick in den Weltraum bekommen.

Als Vermessungsmission wird Euclid mindestens sechs Jahre dauern und 15.000 Quadratgrad Himmel abdecken. Seine Durchmusterung wird als 'Step and Stare' durchgeführt, was bedeutet, dass das Teleskop Messungen auf etwa 0,5 Quadratgrad des Himmels gleichzeitig durchführt.



Euklidische Geschichte

Die aktuelle Richtlinie der ESA für Wissenschaftsmissionen heißt Cosmic Vision 2015-2025. Im Jahr 2007 führte ein Vorschlagsverfahren für Cosmic Vision zu zwei Missionen, die die Geometrie des Universums vermessen sollten: DUNE (Dark Universe Explorer) und SPACE (Spectroscopic All Sky Cosmic Explorer).

DUNE sollte den Himmel über ein weites Feld abbilden, um dunkle Energie und dunkle Materie zu untersuchen. Seine primäre Messmethode war der schwache Gravitationslinseneffekt. SPACE sollte eine 3-D-Evolutionskarte des Universums über 10 Milliarden Jahre hinweg erstellen, indem Galaxien vermessen werden Rotverschiebungen und Spektren. Nach einer Bewertungsstudie wurden diese beiden Missionen jedoch zu einer zusammengefasst: Euclid. (Euklid ist nach einem altgriechischen Mathematiker benannt, der manchmal als 'Vater der Geometrie' bezeichnet wird.)

Im Jahr 2011 wählte die ESA unter mehreren Vorschlägen Solar Orbiter und Euclid als die ersten beiden ihrer Mittelklasse- oder M-Klasse-Missionen aus. Solar Orbiter soll 2018 und Euclid 2019 starten.



Im Jahr 2013 unterzeichnete die NASA eine Absichtserklärung mit der ESA, um 20 Detektoren für Euclids Nahinfrarot-Instrument bereitzustellen. Die NASA nominierte auch 40 US-Wissenschaftler, um dem Euclid-Konsortium beizutreten, das die Instrumente baut und später die wissenschaftlichen Daten der Mission analysieren wird. Später in diesem Jahr wurde Thales Alenia Space aus Italien als Hauptauftragnehmer für die Mission ausgewählt. Euclid bestand seine vorläufige Designprüfung im Jahr 2015 und die ersten Teile der Flughardware – vier Detektoren für den sichtbaren Imager – wurden Anfang 2017 an die ESA geliefert.

Euklidische Wissenschaft

Wir können nur einen Bruchteil des bekannten Universums sehen. Gewöhnliche Materie macht etwa 4 Prozent aus, Dunkle Materie 20 Prozent und Dunkle Energie 76 Prozent. Ein besseres Verständnis von Dunkler Materie und Dunkler Energie könnte Wissenschaftlern beispielsweise helfen, herauszufinden, warum sich das Universum in seiner Expansion beschleunigt. Es gibt nicht genug „gewöhnliche“ Materie, um die Beschleunigung zu erklären.

Euklid wird Wissenschaftlern mehr über das dunkle Universum zeigen. Eines seiner Hauptziele besteht darin, die Rotverschiebung der Galaxie genau zu kartieren, die auftritt, wenn sich ein Objekt von uns entfernt. Das Licht verschiebt sich zum roten Ende des Spektrums, wenn seine Wellenlängen länger werden. Wenn sich ein Objekt nähert, bewegt sich das Licht zum blauen Ende des Spektrums, da seine Wellenlängen kürzer werden. Die Mission wird auf Galaxien zurückblicken, die sich bereits vor 10 Milliarden Jahren oder mehr als dem doppelten Alter des Sonnensystems gebildet haben. In seiner Hauptmission wird Euklid etwa die Hälfte des Himmels kartieren.



Konkret sollen die Detektoren von Euklid zwei kosmologische Sonden durchführen. Man wird den schwachen Gravitationslinseneffekt untersuchen, der auftritt, wenn eine Konzentration von Materie das Licht beugt, wenn sich das Licht auf den Beobachter zu bewegt. Dies ist nützlich, um dunkle Materie zu kartieren und dunkle Energie abzuleiten, indem gemessen wird, wie stark Galaxienbilder durch die Linsenwirkung verzerrt werden.

Die andere Sonde wird baryonische akustische Oszillationen (BAO) untersuchen, die die räumliche Verteilung von Galaxien messen. Auf sehr großen Skalen neigen Galaxien dazu, sich in Paaren zu bilden, die durch eine Standardentfernung getrennt sind. Dieser Standardabstand ist mit Schallwellen im Plasma (übergeladenes Gas) aus dem frühen Universum verbunden; die Schallwellen, die sich von Halos aus dunkler Materie ausbreiten, oder Konzentrationen dunkler Materie, die mit Galaxien verbunden sind. BAOs sind daher ein Standard-Lineal, um die Expansion des Universums und auch die dunkle Energie zu messen.

Euklids Wissenschaft wird von zwei Instrumenten durchgeführt, und der 1,2-Meter-Spiegel der Raumsonde wird das Licht zur Analyse zwischen ihnen aufteilen:

  • Ein sichtbarer Imager (VIS), der Dutzende von ladungsgekoppelten Geräten enthalten wird, die speziell für die Mission entwickelt wurden. Laut ESA werden die Geräte einen hohen Wirkungsgrad, geringes Rauschen und eine gute Strahlungstoleranz aufweisen. Das Sichtfeld von VIS ist etwas größer als die von zwei Vollmonden abgedeckte Fläche.
  • Das Nahinfrarot-Spektrometer und -Photometer (NISP), das die Nahinfrarot-Photometrie von Galaxien ermöglichen wird. Ziel ist es, die Beobachtungen von NISP und VIS zu kombinieren, um die von Euklid beobachtete Rotverschiebung der Galaxie zu zeigen.

Die allgemeinen Ziele von Euclid (in den Worten der ESA) sind:

  • Untersuchen Sie die Eigenschaften der dunklen Energie, indem Sie sowohl die Beschleunigung als auch die Variation der Beschleunigung in verschiedenen Zeitaltern des Universums genau messen;
  • Testen Sie die Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie auf kosmischen Skalen;
  • Untersuchen Sie die Natur und die Eigenschaften der Dunklen Materie, indem Sie die dreidimensionale Verteilung der Dunklen Materie im Universum kartieren;
  • Verfeinern Sie die Anfangsbedingungen am Anfang unseres Universums, die die Bildung der kosmischen Strukturen, die wir heute sehen, keimen lassen.

Andere Missionen der Dunklen Materie

Dunkle Materie ist noch eine relativ junge Wissenschaft, aber es gab einige Beobachtungen von anderen Weltraummissionen, die Euklids Arbeit unterstützen.

Das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop wurde 2008 gestartet. Eines seiner wissenschaftlichen Ziele besteht darin, dunkle Materie zu untersuchen, insbesondere durch die Untersuchung von Phänomenen wie überschüssigen Gammastrahlen aus dem Zentrum der Milchstraße. Im Jahr 2014 gab die NASA bekannt, dass die in diesem Bereich beobachtete überschüssige Emission 'mit einigen Formen dunkler Materie übereinstimmt'. Im Jahr 2017 zeigten Beobachtungen der nahe gelegenen Andromeda-Galaxie dieselben Phänomene.

Andere Weltraummissionen haben dunkle Materie gesehen, obwohl dies nicht in ihren Hauptmissionen war. Ein Beispiel ist eine Studie aus dem Jahr 2015 über 72 Kollisionen von Galaxienhaufen, bei der Daten von beiden Hubble-Weltraumteleskop und das Chandra-Röntgenobservatorium. Wissenschaftler sagten damals, die Studie habe dazu beigetragen, die Natur der Dunklen Materie zu begrenzen. 'Astronomen können die Verteilung der Dunklen Materie kartieren, indem sie analysieren, wie das Licht von entfernten Quellen außerhalb des Haufens durch Gravitationseffekte vergrößert und verzerrt wird', heißt es auf der Seite des Chandra X-Ray Observatory der Harvard University in einer Pressemitteilung.

Hubble führte auch eine Untersuchung durch, die dabei half, die Verteilung der Dunklen Materie im Universum zu kartieren, NASA sagte in einer Pressemitteilung von 2007 .

Die ESA-Mission Gaia wurde 2013 gestartet, um die genaueste Karte der Sternpositionen am Himmel zu erstellen. Es wird angenommen, dass die Aufzeichnung ihrer Bewegungen mehr Informationen über die Natur der Dunklen Materie und ihren Einfluss auf die Geschichte des Universums liefern wird.

Zusätzliche Ressource