Univerzum: áttörés jöhet a rejtélyes sötét anyag és energia kutatásában

November tizenkettedikén, csütörtökön tették közzé az Euclid űrteleszkóp első jelentős adathalmazát, ami több mint egymilliárd égitest fényét rögzítette az égbolt mintegy 9500 teliholdnyi területet kitevő részén. Az űrtávcső adatai megalapozzák az univerzum eddigi legnagyobb 3D-s térképének elkészítését, valamint számos úttörő felfedezéshez vezethetnek mind a sötét energia, mind pedig a sötét anyag természetével kapcsolatban. Éppen ezért a most közzétett adatok elemzése komoly fordulatot hozhat az asztrofizika legizgalmasabb kérdéseinek a megválaszolásában.

Az univerzum egyik legnagyobb titka a sötét anyag és energia Forrás: NASA/JPL-Caltech

A Messier M81 galaxiscsoport, ahogyan az Euclid űrtávcső látja   Fotó: ESA/Euclid/NASA/ J.-C. Cuillandre and E. Bertin

 „Az Euclid adatai a maguk nemében a legnagyobb űralapú felmérésnek számítanak, ami megalapozza a jövőbeli felfedezéseket a csillagászat egy új korszakában, egyúttal pedig az európai technológia, tudomány és nemzetközi együttműködés kiválóságát is bizonyítja” – méltatta az adatközlés jelentőségét az ESA tudományos igazgatója.

Albert Einstein, a gravitációs lencsék, és az Euclide űrtávcső

Az ESA konkrét számokkal is illusztrálta azoknak az égitesteknek a hatalmas mennyiségét, amiket a „sötét univerzum detektívje”, vagyis az Euclid űrtávcső megfigyelt, és amelyek a DR1-Foundation adatbázis részét alkotják. Ez magában foglalja 160 millió kozmikus objektum fényspektrumát, több mint 900 millió galaxist, valamint 60 millió kvazárjelöltet – olyan kozmikus régiókat, amelyekben a szupermasszív fekete lyukak dominálnak.

Az NGC 4945 galaxis középpontjában fekvő szupermasszív fekete lyuk környéke  Fotó: ESO/C. Marconcini et al.

 „Ez a lépték tekintetében jelent változást az Euclid korábbi közzétételeihez képest, amelyek az égbolt mintegy 60 négyzetfoknyi területére vonatkozó néhány napos megfigyeléseket tartalmaztak” – magyarázza Valeria Pettorino, az ESA Euclid-projektjének tudományos munkatársa. 

„Most viszont több mint egyévnyi adatot teszünk közzé, ami jelentősen nagyobb területet fed le. Ez pedig úttörő tudományos eredmények előtt nyitja meg az utat” – fűzi hozzá Valeria Pettorino. 

Az Euclid űrtávcső művészi ábrája   Fotó: ESA/Euclid

Az Euclid azért láthat ilyen hatalmas számú kozmikus objektumot, mert űrbeli elhelyezkedése révén elkerülheti a Föld légköre okozta zavaró hatásokat.

A 2023. július elsején felbocsátott Euclid űrtávcsövet a sötét anyag és a sötét energia tulajdonságainak, és ezen keresztül az univerzum geometriájának a jobb megismerésére tervezték. Az 1,2 méter átmérőjű Korsch-rendszerű Euclid űrteleszkóp fedélzeti berendezései között található a látható fény tartományában működő CCD -s képalkotó műszer – amit a gyenge gravitációs lencsézés észlelésére használnak –, továbbá egy közeli infravörös (NIR) fotométer, valamint egy szintén közeli infravörös spektrométer is.

De a DR1-Foundation jegyzékébe tartoznak a galaxishalmazok, sőt, a még jóval nagyobb úgynevezett szuperhalmazok is. Ezeknek az objektumoknak – a kozmosz legnagyobb struktúrái közé tartozó képződményeknek –, a tanulmányozása feltárhatja, hogyan állt össze az univerzum anyaga azzá a gázból, porból és sötét anyagból álló kiterjedt hálózattá, amit kozmikus hálónak nevezünk.

 Az Abell 2029 galaxishalmaz  Fotó: NASA/Hubble

 „Az Euclid nem csupán messzire tekint vissza az időben, hanem mindezt az égbolt hatalmas területein teszi” – magyarázza Barbara Sartoris, az Euclid-konzorcium tagja, aki a franciaországi Nizzában lévő JL Lagrange Laboratórium munkatársa. „Ez példa nélküli rálátást biztosít számunkra az ősi galaxishalmazok olyan nagy mintázataira, amelyek korábban elérhetetlenek voltak” – fűzi hozzá a kutató. - Az elkövetkező hónapokban megvizsgáljuk ezeket, hogy feltárjuk, miként növekedtek óriásira e gigászok, és megfejtsük, mit árulnak el a sötét univerzumról – magyarázza Barbara Sartoris. 

Einstein általános relativitáselmélete jósolta meg a gravitációs lencsehatást Fotó: Wikimedia Commons

Az új Euclid-adatkiadás egy további izgalmas eleme az űrtávcső által lajstromba vett és 15 ezer objektumból álló, a  gravitációs lencsézésre utaló jelöltek katalógusa is. A gravitációs lencsézés, vagy a gravitációs lencsehatás a világegyetem egyik olyan különös jelensége, amelyet először Albert Einstein jósolt meg az 1915-ben megalkotott általános relativitáselméletében.

Az általános relativitáselméletben megjósolt gravitációs lencsehatásra először Sir Arthur Stanley Eddington brit csillagász talált megfigyeléseken alapuló empirikus bizonyítékot, 1919-ben.

Az általános relativitáselmélet szerint a tömeggel rendelkező objektumok meggörbítik a téridő szövetét, és maga a gravitáció is ebből a görbületből fakad, azaz Einstein a gravitációt a görbült tér geometriai következményeként írta le. Ennek azonban van egy további következménye is: amikor a fény áthalad a görbült téren, az egyébként egyenes pályája meghajlik. 

A gravitációs lencsehatást szemléltető ábra   Fotó: NASA

Ez azt jelenti, hogy ha egy távoli forrásból érkező fény nagy tömegű kozmikus objektum – például egy fekete lyuk, egy galaxis, vagy egy galaxishalmaz -, azaz egy erős gravitációs lencse mellett halad el, akkor a fény különböző időpontokban érkezhet be a távcsöveinkhez is. Az erős gravitációs lencsézés következtében a háttérforrások optikai fénye jelentősen felerősödhet. Ezt a jelenséget használja fel a James Webb Űrteleszkóp (JWST) is, méghozzá rendkívül eredményesen, a korai univerzum ősi galaxisainak a tanulmányozására.

Példák a gravitációs lencsehatásra  Fotó: NASA/ESA

 Éppen ezért rendkívüli jelentőségű az Euclid űrtávcső által feltérképezett 15 ezer gravitációs lencse, mert ez elősegíti az univerzum tágulási ütemének minden korábbinál pontosabb meghatározását és ezen keresztül a sötét energia hatásának a jobb megértését is.

Forradalmat írhat a csillagászatban

„Az erős gravitációs lencsézés egyedülálló betekintést nyújt a sötét univerzumba: lehetővé teszi az egyes galaxisok – beleértve a bennük rejlő, láthatatlan sötét anyag – »megmérését«, valamint annak a pontos feltárását, hogy hogyan tágul az univerzum” – mondja Natalie Lines, az Egyesült Királyságbeli Portsmouthi Egyetem kutatója és az Euclid Konzorcium tagja. 

A sötét energia felel az univerzum gyorsuló tágulásáért Fotó: Wikimedia Commons

„Több mint tíz éve megjósoltuk, hogy az Euclid forradalmasítani fogja az erős gravitációs lencsék felfedezését. Ez a nap végre elérkezett” – hangsúlyozza a felmérés jelentőségét Natalie Lines. 

A DR1-Foundation kapcsán talán az a legizgalmasabb, hogy az Euclid igazából még csak most kezdi el a munkát. 

A 2024 tavasza és 2025 tavasza között megvizsgált, illetve az eddig lefedett égterület mindössze csak a 14%-át teszi ki annak területnek, amit az Euclid a teljes hatéves felmérése során fog megvizsgálni. 

A nagy galaxishalmazoknál különösen jelentős a gravitációs lencsézés   Fotó: NASA/JPL-Caltech

Ez pedig praktikusan azt jelenti, hogy bármit fedezzenek is fel a tudósok a mostani adatközlésből, az csupán a jéghegy csúcsa lehet ahhoz képest, ahogyan az eljövendő években a „sötét univerzum detektívje”, az Euclid űrtáncső megfigyelései formálják majd át a kozmoszról alkotott ismereteinket. 

„A DR1-Foundation nyers adatokat, kalibrált felvételeket, katalógusokat és színképeket tartalmaz egy hatalmas égterületről, méghozzá olyan statisztikai mennyiségben, ami akár rendkívül ritka objektumok felfedezését is lehetővé teszi. Ezt az adatbázist az univerzum nagy léptékű szerkezetének eddig még nem látott részletességű feltérképezésére fogják felhasználni”-– vázolja az adatgyűjtés jelentőségét Valeria Pettorino, az ESA Euclid-projektjének tudományos munkatársa.

Még sok a megválaszolatlan kérdés  Forrás: NASA/Hubble

Az Euclide és más, a közelmúltban üzembe helyezett űrtávcsövek, mint például a James Webb, vagy a NASA idén augusztusban felbocsátott Nancy Grace Roman űrteleszkópja olyan ablakot nyitnak az univerzumra, ami egészen biztos, hogy még rengeteg új felfedezéssel fogja gyarapítani a világegyetemről alkotott ismereteinket.

Az Euclide űrtávcső most közzétett egyévnyi megfigyelési adathalmazában:

• 900 millió galaxis, 60 millió kvazárjelölt, valamint 160 millió objektum fényspektruma,
• továbbá 15 ezer gravitációs lencse szerepel,
• az utóbbiak pedig minden korábbinál pontosabban meghatározhatóvá teszik az univerzum tágulási sebességét,
• és a sötét energia ebben játszott szerepének a jobb megértését is.