Οι αστρονόμοι γνωρίζουν εδώ και δεκαετίες ότι μια αόρατη ουσία διαπερνά τον Κόσμο. Η σκοτεινή ύλη, η οποία ανιχνεύεται μόνο μέσω της βαρυτικής της επίδρασης σε ορατά αντικείμενα, αποτελεί περίπου το 85% της συνολικής ύλης, περιβάλλει ολόκληρους γαλαξίες σε τεράστια σφαιροειδή σχήματα που διακλαδώνονται και συνυφαίνονται για να σχηματίσουν το σκελετό του σύμπαντος.
Ωστόσο, οι λεπτομέρειες αυτής της μεγαλειώδους αρχιτεκτονικής παραμένουν τυλιγμένες στο μυστήριο. Καθοδηγούμενο από μια άυλη δύναμη που οι επιστήμονες αποκαλούν σκοτεινή ενέργεια, το σύμπαν μεταβάλλεται συνεχώς, επεκτεινόμενο αδιάκοπα με επιταχυνόμενο ρυθμό.
Ένα νέο διαστημικό τηλεσκόπιο, το οποίο θα εκτοξευθεί στις 30 Αυγούστου από το Διαστημικό Κέντρο Κένεντι της NASA στη Φλόριντα, θα επιχειρήσει να ξεδιαλύνει τη φύση αυτών των σκοτεινών διαγαλαξιακών φαινομένων. Με την ανάλυση του «Hubble» και ένα οπτικό πεδίο περίπου 100 φορές μεγαλύτερο, το Διαστημικό Τηλεσκόπιο «Nancy Grace Roman» θα προσφέρει έναν νέο τρόπο παρατήρησης του σύμπαντος, ο οποίος θα μπορούσε να συμβάλει στην επίλυση ορισμένων από τα μεγαλύτερα ερωτήματα της αστροφυσικής.
«Ένα παρατηρητήριο όπως το Roman είναι εκ φύσεως μια μηχανή ανακαλύψεων», λέει η Julie McEnery, ανώτερη επιστήμονας του προγράμματος της NASA για το διαστημικό τηλεσκόπιο. «Θα ανακαλύψουμε σπάνια πράγματα, ασυνήθιστα πράγματα, νέα πράγματα, εκπληκτικά πράγματα».
Κατά τη διάρκεια της πενταετούς κύριας αποστολής του, το Roman θα χαρτογραφήσει εκτεταμένες περιοχές του διαστήματος για να δημιουργήσει μια ολοκληρωμένη εικόνα των γαλαξιών και της σκοτεινής ύλης, βοηθώντας τους επιστήμονες να κατανοήσουν πώς μεταβάλλονται με την πάροδο του χρόνου οι μεγαλύτεροι σχηματισμοί του σύμπαντος. Το τηλεσκόπιο, που πήρε το όνομά του από τον πρώτο επικεφαλής αστρονόμο της NASA, θα χαρτογραφήσει αστροφυσικές δομές μετρώντας τις ελαφρές παραμορφώσεις του φωτός που προκαλούνται από τη βαρύτητα, επιτρέποντας στους επιστήμονες να μελετήσουν πώς η σκοτεινή ενέργεια καθοδηγεί την κοσμική εξέλιξη.
«Δεν μετράμε τις ιδιότητες κάποιου φαινομένου στο σύμπαν», λέει η McEnery για το έργο αυτό. «Κατανοούμε πώς λειτουργεί θεμελιωδώς το σύμπαν στο οποίο βρισκόμαστε».
Η ευκρινής και ευρεία οπτική γωνία του Roman αναμένεται επίσης να καταγράψει έως και 200.000 νέους πλανήτες, ένα εξαιρετικό άλμα σε σχέση με τους περίπου 6.300 επιβεβαιωμένους εξωπλανήτες. Το τηλεσκόπιο θα εντοπίσει τους περισσότερους από αυτούς τους κόσμους καθώς εμποδίζουν μέρος του φωτός από τα άστρα στα οποία περιστρέφονται, αλλά η υψηλή ευαισθησία του θα του επιτρέψει να ανιχνεύσει περίπου 1.000 επιπλέον, μετρώντας τις βαρυτικές επιδράσεις των πλανητών στο φως των άστρων.
Δεδομένης της εξαιρετικής ανάλυσης και της ευρείας περιοχής μελέτης του διαστημικού τηλεσκοπίου, δεν μπορεί κανείς να προβλέψει με ακρίβεια τι άλλο μπορεί να ανακαλύψει.
«Η πιο συναρπαστική επιστημονική ανακάλυψη από το Roman», λέει η McEnery, «μπορεί κάλλιστα να είναι κάτι που δεν μπορούμε καν να φανταστούμε αυτή τη στιγμή».
Από πολλές απόψεις, το Roman θα αποτελέσει συνεργάτη του Διαστημικού Τηλεσκοπίου James Webb. Και τα δύο παρατηρούν κυρίως υπέρυθρο φως και, όπως το Webb, το Roman θα βρίσκεται σε τροχιά γύρω από ένα σημείο στο διάστημα, σχεδόν ένα εκατομμύριο μίλια μακριά από τη Γη, που ονομάζεται Σημείο Λαγκράνζ 2, όπου τα τηλεσκόπια μπορούν να αποκλείσουν αποτελεσματικά το φως από τον Ήλιο, τη Γη και τη Σελήνη.
Όμως, ενώ το Webb έχει σχεδιαστεί για να παρατηρεί βαθιά μέσα στον Κόσμο, το Roman θα έχει μια ευρύτερη οπτική γωνία.
«Αν σκεφτούμε τι κάνει το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb, είναι βελτιστοποιημένο για να παρατηρεί το πολύ μακρινό σύμπαν… αλλά μόνο ένα μικροσκοπικό τμήμα του ουρανού», λέει η αστροφυσικός Rachel Mandelbaum του Πανεπιστημίου Carnegie Mellon. «Αντίθετα, το Roman είναι σε θέση να παρατηρεί μια μεγάλη περιοχή του ουρανού ταυτόχρονα.»
Αυτή η ευρεία οπτική γωνία θα επιτρέψει στο Roman να ερευνήσει εκατοντάδες εκατομμύρια αστέρια αναζητώντας πλανήτες. Όπως και σε προηγούμενες αποστολές, το διαστημικό παρατηρητήριο θα εντοπίσει τους περισσότερους στόχους του αναζητώντας πλανήτες που διέρχονται μπροστά από τα αστέρια στα οποία περιστρέφονται. Πρόκειται για μια εξαιρετικά αποτελεσματική τεχνική για τον εντοπισμό μεγάλων πλανητών με σύντομες τροχιές, αλλά για να αναζητήσει διαφορετικά είδη κόσμων, το Roman θα χρησιμοποιήσει μια άλλη τεχνική που ονομάζεται μικροεστίαση.
Όταν δύο αστέρια ευθυγραμμίζονται το ένα μπροστά από το άλλο, το φως του αστεριού στο βάθος παραμορφώνεται και μεγεθύνεται από τη βαρύτητα του αστεριού στο προσκήνιο. Εάν το αστέρι στο προσκήνιο φιλοξενεί έναν πλανήτη, το Roman θα είναι σε θέση να ανιχνεύσει πώς η βαρύτητα του πλανήτη μεγεθύνει περαιτέρω το αστρικό φως που προέρχεται από πίσω.
«Αυτή η μέθοδος μπορεί να ανιχνεύσει πλανήτες που βρίσκονται πιο μακριά από τα άστρα τους σε σύγκριση με άλλες μεθόδους», λέει ο Matthew Penny, ερευνητής εξωπλανητών στο Louisiana State University. «Δεν χρειάζεται ο πλανήτης να ολοκληρώσει μια ολόκληρη τροχιά για να τον δεις.»
Το Roman είναι τόσο ευαίσθητο σε αυτά τα φαινόμενα μικροεστίασης, ώστε θα πρέπει να είναι σε θέση να ανιχνεύσει πλανήτες με μάζα μικρότερη από αυτή του Ερμή. Θα έχει επίσης τη δυνατότητα να εντοπίσει «αδέσποτους» πλανήτες που έχουν απομακρυνθεί από τα άστρα τους ή που σχηματίστηκαν μόνοι τους στο κενό.
Μελετώντας αυτούς τους νέους πληθυσμούς πλανητών, οι επιστήμονες μπορούν να μάθουν περισσότερα για τις συνθήκες που ενδέχεται να δημιουργήσουν ένα σύστημα όπως το δικό μας και, κατ’ επέκταση, έναν πλανήτη που φιλοξενεί ζωή όπως η Γη.
«Το ηλιακό μας σύστημα είναι πιθανώς αρκετά μοναδικό, αν και δεν το γνωρίζουμε πραγματικά αυτή τη στιγμή», λέει ο Penny. «Υπάρχουν πολλές πιθανές τυχερές συμπτώσεις στο ηλιακό σύστημα που καθιστούν δυνατή τη ζωή.»
Η διερεύνηση των εξωτερικών περιοχών των πλανητικών συστημάτων θα προσφέρει τα βασικά κομμάτια που λείπουν από αυτό το παζλ. Για παράδειγμα, ο σχηματισμός μεγάλων πλανητών πιο μακριά από έναν αστέρα μπορεί να επιτρέψει σε μικρότερους πλανήτες να σχηματιστούν πιο κοντά, λέει ο Penny, κοντά στη ζώνη όπου θα μπορούσε να σχηματιστεί υγρό νερό.
«Χωρίς μια πλήρη καταγραφή του συνόλου των πιθανών πλανητών, δεν γνωρίζουμε πραγματικά πόσο συνηθισμένοι είναι πλανήτες όπως η Γη», λέει ο Penny, «ή πλανητικά συστήματα όπως το δικό μας».
Εκτός από πολλούς νέους κόσμους, το βλέμμα του Roman θα στραφεί σε περισσότερους από ένα δισεκατομμύριο γαλαξίες. Συγκεκριμένα, θα επικεντρωθεί σε έναν πληθυσμό γαλαξιών που βρίσκονται σε ηλικία περίπου 2 έως 6 δισεκατομμυρίων ετών μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
«Ένα από τα θέματα που προσπαθούμε να μελετήσουμε είναι η ιστορία και η ανάπτυξη της κοσμικής δομής», λέει η Mandelbaum. «Στο πολύ πρώιμο σύμπαν, η ύλη ήταν κατανεμημένη σχεδόν ομοιόμορφα. Ωστόσο, υπήρχαν μικροσκοπικές διαταραχές ή μικροσκοπικές περιοχές που ήταν ελάχιστα πιο πυκνές ή λιγότερο πυκνές».
Αυτές οι ελαφρώς πυκνότερες περιοχές προσέλκυσαν όλο και περισσότερη ύλη με την πάροδο του χρόνου, σχηματίζοντας τελικά τεράστιες συσσωματώσεις σκοτεινής ύλης που οι επιστήμονες αποκαλούν «halos». Στη συνέχεια, το αέριο οδηγήθηκε προς το κέντρο τους, όπου πυροδότησε την δημιουργία αστέρων που στροβιλίστηκαν μαζί για να σχηματίσουν γαλαξίες.
Το Roman θα δημιουργήσει έναν εξαιρετικά λεπτομερή χάρτη των ορατών γαλαξιών και θα χαρτογραφήσει την κατανομή της σκοτεινής ύλης με μεγαλύτερη ακρίβεια από ποτέ, χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται «ασθενής βαρυτική εστίαση».
«Κάθε φορά που μια ακτίνα φωτός από έναν γαλαξία πρέπει να διανύσει το σύμπαν, περνώντας από κάθε είδους δομές, η τροχιά αυτής της ακτίνας φωτός διαταράσσεται ελαφρώς», λέει η Mandelbaum.
Συγκρίνοντας αυτές τις διαταραγμένες ακτίνες φωτός από πολλούς γαλαξίες, οι επιστήμονες μπορούν να χαρτογραφήσουν τον κοσμικό ιστό της σκοτεινής ύλης που περιβάλλει και συνδέει τα σμήνη γαλαξιών. Η σύγκριση των χαρτών που θα δημιουργήσει το Roman με παρατηρήσεις του νεογέννητου σύμπαντος θα επιτρέψει στους επιστήμονες να μελετήσουν πώς έχουν αλλάξει τα πράγματα με την πάροδο του χρόνου.
«Προσπαθούμε να απαντήσουμε σε θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με το σύμπαν, και αυτό αποδεικνύεται απίστευτα δύσκολο», λέει η Mandelbaum. «Χρειαζόμαστε πραγματικά ισχυρά παρατηρητήρια όπως το Roman.»
Τα τελευταία χρόνια, έχουν προκύψει τρεις αξιοσημείωτες ανωμαλίες στη μελέτη της κοσμολογίας. Η πρώτη είναι ότι το σύμπαν φαίνεται να διαστέλλεται σήμερα ταχύτερα από ό,τι θα έπρεπε, σύμφωνα με μοντέλα που βασίζονται στις συνθήκες λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η δεύτερη είναι ότι η ύλη του σύμπαντος κατανέμεται πιο ομοιόμορφα από ό,τι αναμενόταν.
Και η τρίτη είναι μια εκπληκτική πρόσφατη ανακάλυψη από το Φασματοσκοπικό Όργανο Σκοτεινής Ενέργειας (DESI) στην Αριζόνα, η οποία υποδηλώνει ότι η σκοτεινή ενέργεια, η δύναμη που οδηγεί τη διαστολή του σύμπαντος, ενδέχεται να εξασθενεί απροσδόκητα με την πάροδο του χρόνου.
Αυτές οι τρεις «αντιφάσεις», υποδεικνύουν η καθεμία έναν τομέα στον οποίο το πρότυπο μοντέλο της κοσμολογίας ενδέχεται να παραλείπει βασικές λεπτομέρειες.
«Είναι κάπως δελεαστικό, γιατί υπάρχουν ενδείξεις ότι κάτι πάει πολύ στραβά», λέει η McEnery.
Για κάθε ένα από αυτά τα άλυτα μυστήρια, το Roman θα παρέχει πολύτιμα δεδομένα. Όσον αφορά τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος, το διαστημικό τηλεσκόπιο αναμένεται να καταγράψει δεκάδες χιλιάδες εκρήξεις σουπερνόβα, αρκετές φορές περισσότερες από όσες έχουν παρατηρηθεί μέχρι τώρα. Ορισμένες σουπερνόβα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος σήμερα, πράγμα που σημαίνει ότι το Roman θα επιτρέψει στους ερευνητές να υπολογίσουν αυτή την τιμή με μεγαλύτερη ακρίβεια.
Οι χάρτες του παρατηρητηρίου για τις δομές μεγάλης κλίμακας θα προσφέρουν επίσης στους ερευνητές μια καλύτερη εικόνα της κατανομής της ύλης στο σύμπαν, ή της συγκέντρωσής της. Και οι μετρήσεις του σχετικά με τις βαρυτικές επιδράσεις της σκοτεινής ύλης θα παρέχουν μια λεπτομερή εικόνα του τρόπου με τον οποίο αυτές οι δομές έχουν αναπτυχθεί με την πάροδο του χρόνου, επιτρέποντας στους επιστήμονες να ελέγξουν αν η ισχύς της σκοτεινής ενέργειας έχει πράγματι μεταβληθεί, όπως υποδηλώνει το DESI.
Αν έχει αλλάξει, «είναι σχεδόν σίγουρο ότι θα μπορέσουμε να επιβεβαιώσουμε αυτά που παρατηρούν, γιατί ακριβώς γι’ αυτό σχεδιάστηκε το παρατηρητήριο», λέει η McEnery.
Η ευρεία εικόνα του σύμπαντος που θα προσφέρει το Roman θα αποκαλύψει αμέτρητες νέες λεπτομέρειες, και καθώς οι επιστήμονες θα συναρμολογούν αυτό το τεράστιο παζλ, ενδέχεται να φέρουν επανάσταση στην κατανόησή μας για την κοσμολογία.
«Τον περασμένο αιώνα σημειώσαμε μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα του πολύ μικρού με την ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής και την ανακάλυψη των στοιχειωδών σωματιδίων», λέει η McEnery. «Ίσως αυτός να είναι ο αιώνας της κατανόησης του πολύ μεγάλου.»
Το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στο WIRED US και μεταφράστηκε από τα αγγλικά.
Με την εγγραφή σας, συμφωνείτε με τους Όρους Χρήσης μας (συμπεριλαμβανομένης της παραίτησης από ομαδικές αγωγές και των διατάξεων διαιτησίας) και αναγνωρίζετε την Πολιτική Απορρήτου μας.
