Космическая миссия Euclid готовится исследовать тайны темной материи

Миссия специально разработана для изучения темной вселенной, исследуя как «темную материю», так и «темную энергию» — неизвестные вещества, которые, как считается, составляют 95% плотности энергии Вселенной.

Но он также сможет проверить некоторые странные, альтернативные модели гравитации, что может бросить вызов великой общей теории относительности Альберта Эйнштейна.

Ученые знали о существовании темной материи уже почти столетие. Это было предложено после того, как астрономы заметили, что галактики в скоплениях имеют загадочно высокие скорости.

Такие скорости должны привести к тому, что скопления испарятся, если только не будет какой-то дополнительной массы, удерживающей их вместе. Поскольку эта материя не светилась так, как видимые галактики, ее назвали темной материей.

Гравитационное линзирование — новый инструмент, позволяющий увидеть этот темный материал. Этот эффект основан на нашем понимании общей теории относительности. По мере того, как свет идет к нам из далеких галактик, его путь искривляется большими сгустками материи (темными или яркими) на переднем плане, меняя свой внешний вид (и расположение).

Это изменение легко заметить вблизи ядер массивных скоплений (см. изображение ниже) — галактики вытянуты в дуги, кажутся длинными, тонкими и изогнутыми. Мы можем использовать это искривление, чтобы определить количество материи в скоплении переднего плана. И это еще раз подтверждает, что большая часть массы в этих скоплениях действительно темная.

Но из чего его можно было сделать? Многие физики считают, что это неизвестная элементарная частица. Популярным кандидатом, которого еще предстоит обнаружить, являются аксионы, которые первоначально были введены для объяснения того, почему некоторые фундаментальные симметрии природы кажутся нарушенными.

Однако есть и другие возможности. Вместо постулирования необходимости темной материи можно исследовать гравитацию. Сила гравитации может стать слабее, чем предсказывалось, в масштабах галактик и за их пределами.

В этих масштабах есть несколько альтернативных моделей гравитации, которые могут объяснить кривые вращения галактик без предположения о наличии какой-либо темной материи. Задача для любой из этих альтернатив состоит в том, чтобы сделать это последовательно во всех масштабах.

Хотя на Земле ведется несколько поисков частиц темной материи, они пока не нашли существенных доказательств. Поэтому астрономические наблюдения за скоплениями галактик остаются нашим лучшим вариантом для проверки различных теорий, объясняющих темную материю.

Именно здесь Euclid преуспеет благодаря своему выдающемуся разрешению, обеспечивающему резкость, подобную космическому телескопу Хаббла (см. изображение) на трети неба. Для сравнения, Хаббл наблюдал только 5% всего неба.

Количество изображений скоплений, которые мы получим, увеличится в сто раз с помощью Евклида, что позволит нам детально изучить распределение темной материи внутри таких скоплений с высокой точностью. То, как распределяется темная материя, может быть ключом к ее происхождению и массе, исключая ряд возможных частиц-кандидатов и теории гравитации на этом пути.

Темная энергия и гравитация

Темную материю потенциально легко понять по сравнению с темной энергией, которая была предложена для объяснения открытия, что расширение Вселенной ускоряется, что противоречит предсказанию теории гравитации Эйнштейна. Это странное вещество вызывает раздражение у физиков и космологов, причем простейшая идея заключается в том, что темная энергия — это всего лишь энергия пустого пространства («энергия вакуума»).

По сути, по мере того, как мы получаем больше места в расширяющейся Вселенной, мы получаем больше энергии вакуума, которая затем приводит к наблюдаемому ускорению.

Это простое объяснение разумно, если не считать неприятной истины, что наблюдаемая плотность темной энергии на много порядков ниже, чем предсказывает квантовая теория, которая управляет Вселенной в самых малых масштабах. Короче говоря, это простое объяснение задает больше вопросов, чем дает ответов.

Как и в случае с темной материей, альтернативное объяснение темной энергии заключается в том, что на самом деле это вовсе не вещество или форма энергии, а опять-таки признак того, что гравитация ведет себя по-другому на самых больших масштабах.

Это привело к шквалу новых идей, расширяющих нашу теорию гравитации за пределы общей теории относительности. Например, может ли гравитация существовать в более чем четырех измерениях (три пространственных измерения плюс время), которые испытывает остальная Вселенная? Существуют ли новые фундаментальные поля, о которых мы еще не знаем и которые взаимодействуют с гравитацией?

Или, возможно, теория Эйнштейна верна для слабых гравитационных полей, с которыми мы сталкиваемся на Земле, но становится совершенно иной в чрезвычайно сильных гравитационных полях, таких как поля вблизи горизонта событий черных дыр.

Задача всех этих альтернативных моделей гравитации состоит в том, чтобы работать вместе как для темной материи, так и для темной энергии. В идеале они должны работать во всех масштабах и массах, как единая теория. Физики твердо верят в бритву Оккама — лучшие теории имеют наименьшее количество предположений.

Euclid поможет нам проверить эти экзотические модели гравитации, нанеся на карту положения миллионов галактик в обширных регионах Вселенной. Это позволяет нам проследить «космическую паутину», губчатую структуру из нитей и пустот в пространстве. Кажется, что они сначала заложены в темной материи, а затем усеяны галактиками.

Эта космическая паутина сформирована миллиардами лет гравитационного коллапса, а это означает, что ее структура и статистика чувствительны к законам гравитации, действующим в космологических масштабах. Измеряя его свойства, мы можем определить, будет ли новая теория гравитации соответствовать данным лучше, чем теория Эйнштейна.

Когда мы вернемся на Землю, в сообществе астрофизиков будет много волнений по поводу того, что будет делать Евклид. Это первый раз, когда у нас есть спутник, предназначенный для картирования темной материи и темной энергии.

Данных Евклида хватит на всю жизнь, и поколения космологов посвятят свои карьеры их изучению. Наблюдая за запуском Евклида в небо Флориды, мы будем на один шаг ближе к ответам на некоторые из самых фундаментальных вопросов науки.

Роберт Никол, профессиональный вице-канцлер и исполнительный декан Университета Суррея, и Тесса Бейкер, научный сотрудник Университета Королевского общества, доцент по космологии Лондонского университета королевы Марии.