تلسکوپی که می تواند نشان دهد ماده تاریک و انرژی تاریک چیست

تلسکوپ فضایی نانسی گریس روم در حال پرتاب به فضا

در 30 آگوست، ناسا آخرین رصدخانه فضایی شاخص خود، تلسکوپ فضایی روم نانسی گریس را به فضا پرتاب کرد. این یک تکه فناوری باورنکردنی است: اندازه آن به اندازه تلسکوپ فضایی هابل است اما میدان دید بسیار وسیع تری دارد. انتظار می رود رومن در طول ماموریت اولیه پنج ساله خود، حدود 12 درصد از آسمان را با جزئیات باورنکردنی رصد کند و به نقاط دوردست کیهان نگاه کند. زیاد به نظر نمی رسد، اما این یک جهش بزرگ نسبت به پیشینیان خود است - هابل تنها 0.1 درصد از آسمان را در طول 35 سال رصد کرد.

این نمای وسیع‌تر به رومن اجازه می‌دهد تا رویدادهای کیهانی را هنگام تکامل در زمان واقعی مشاهده کند و تنوع شگفت‌انگیزی از اجرام جدید و از قبل شناخته شده را در فضا مشاهده کند. اما قطعه مقاومت همان چیزی است که می تواند برای مطالعات ما در مورد ماده تاریک و انرژی تاریک، مواد مرموز که حدود 95 درصد از جهان را تشکیل می دهد، انجام دهد. مشاهدات غیرمستقیم به ما می‌گویند که هر دوی این مؤلفه‌های مرموز کیهان وجود دارند، اما ما در مورد اینکه واقعا چه هستند یا چگونه کار می‌کنند، نمی‌دانیم. رومن ممکن است کلیدی باشد که سرانجام برخی از اسرار آنها را باز می کند.

دوربین قدرتمند 300 مگاپیکسلی رومن دو هفته پس از پرتاب فعال شد و به عنوان بخشی از فرآیند راه اندازی تلسکوپ، چشمان خود را به روی کیهان باز کرد. اولین فوتون های نور ستارگان، حلقه های سبز تیره ای را ایجاد کردند، فضایی از ستاره های خارج از فوکوس. کریستن مک کوئین، استاد دانشگاه راتگرز در نیوجرسی و رئیس دفتر مأموریت تلسکوپ فضایی روم نانسی گریس انستیتوی علمی تلسکوپ فضایی، به من می گوید که این تنها آغاز کار است.

گام‌های بعدی فوکوس کردن دوربین، روشن کردن سیستم‌های هدایت و یافتن چیزهای شگفت‌انگیز این رصدخانه جدید در مورد کیهان است.

لی کرین: خب، ابتدا اولین چیزها: بالاخره چطور شد که اولین تصویر را دیدم؟

کریستن مک کوئین: بسیار شدید است. تیم ها به صورت 24 ساعته در حال انجام وظیفه هستند، بنابراین افراد زیادی در شیفت های شبانه روزی حضور دارند. این اولین تصاویر در نیمه شب گرفته شده اند، اما پیش از آن بسیار خوب پیش می رفت. پیش از این، همه ما به نوعی در اوج هستیم. برای تصویر آزمایشی، تلسکوپ هنوز فوکوس نشده است، و همچنین تلسکوپ هنوز هدایت نمی‌کند - وقتی آن را به سمت چیزی نشانه‌گیری می‌کنید، تلسکوپ بسیار پایدار است، اما می‌تواند کمی جابجا شود.

تصویر آزمایشی راهنما را نداشت و بدون فوکوس بود و حتی با این وجود، تصویر واقعا دیدنی است. فقدان تمرکز واقعا بیش از آن چیزی نیست که از پرتاب انتظار می‌رفت و همه عوامل استرس‌زای ناشی از پرتاب تلسکوپ به فضا: این به ما می‌گوید که در وضعیت واقعا خوبی هستیم. تصویر بسیار پر از وعده است - همه بسیار هیجان زده هستند.

اولین تصویری که توسط تلسکوپ فضایی روم نانسی گریس ناسا ثبت شد

به طور معمول، وقتی یک رصدخانه بزرگ جدید می گیریم، یا بزرگتر از رصدخانه های قبلی است، یا در طول موج نوری منحصر به فردی رصد می کند که قبلا پوشش آن را نداشتیم، اما رومن هیچکدام از این موارد نیست. من نمی خواهم در اینجا بی احترامی کنم، اما با توجه به آن، چرا ما این همه کار و سرمایه گذاری کرده ایم؟

اصلا توهین نشده! این آینه دارای آینه ای شبیه به هابل است و برخی از طول موج هایی که با هابل و تلسکوپ فضایی جیمز وب همپوشانی دارند را می پوشاند، پس چرا این کار را انجام دهیم؟ تفاوت با رومن این است که چه مقدار از آسمان را می تواند به یکباره ببیند، میدان دید آن. هابل و وب مانند یک لنز زوم روی دوربین شما هستند، اما رومن مانند یک عکس پانوراما است. این میدان حدود 100 برابر بزرگتر از میدان هابل است، اما به گونه ای ساخته شده است که می تواند مناطقی از آسمان را حدود 1000 برابر سریعتر از هابل نقشه برداری کند.

هر 10 ماه، ما معادل حدود 1000 سال رصد هابل را به دست خواهیم آورد.

از نقطه نظر استفاده، بسیار متفاوت است. از آنجایی که رومن می تواند مناطق وسیعی از آسمان را ببیند، این کاری است که ما انجام خواهیم داد. به همین دلیل است که برخی از بزرگترین اهداف علمی رومن، درک انرژی تاریک و ماده تاریک است، زیرا برای کاوش در هر دوی این موارد به مناطق واقعا بسیار وسیعی از آسمان برای کاوش نیاز دارید.

چگونه است که رومن بسیار سریعتر از هابل است، با وجود اینکه آینه های اولیه آنها هم اندازه هستند؟

آشکارساز واقعی بسیار بزرگتر است و در این شکل منحصر به فرد قرار گرفته است. همانطور که رومن طراحی شده است، نور را در آینه اصلی بزرگ می گیرد و آن را روی آشکارساز متمرکز می کند، و به دلیل پیشرفت در فناوری از زمان پرتاب هابل در سال 1990، رومن می تواند منطقه بزرگ تری را در کانون توجه قرار دهد. همچنین می تواند به دلیل نحوه ساختش سریعتر از هابل آسمان را حرکت و نقشه برداری کند. ساختار آن بسیار سبک تر است و کمتر از یک چهارم وزن هابل است. همچنین با یکپارچگی سفت‌تر ساخته شده است، و این به این معنی است که این توانایی را دارد که گشتاورهای سریع در فواصل کوتاه داشته باشد.

بنابراین، شما این ساختار سفت و سبک را دارید که می تواند به سرعت و به سرعت بچرخد و سپس خود را ثابت کند. شما می‌توانید میدان دید بزرگ‌تری داشته باشید، و سپس می‌توانید با سرعت بسیار بیشتری آن را بین میدان‌های دید حرکت دهید.

چرا داشتن چنین میدان دید بزرگی مهم است؟

این اصطلاح، واریانس کیهانی وجود دارد، و می گوید که جهان، در مقیاس های بسیار بزرگ، بسیار همگن است. بنابراین، اگر به یک ناحیه بزرگ از کیهان نگاه کنید، ممکن است شبیه به بقیه باشد، اما وقتی روی هر ناحیه کوچک‌تری بزرگ‌نمایی می‌کنید، همه چیز متفاوت است و چیزهای منحصربه‌فرد زیادی در آنجا وجود دارد. بنابراین، با تلسکوپ هابل و وب و سایر تلسکوپ‌های با میدان دید کوچک‌تر، واقعا نمی‌توانید بدانید که آیا در حال مطالعه مناطق منحصر به فرد جهان هستید یا خیر.

به دلیل این تنوع کیهانی، باید به مناطق بزرگ‌تری در آسمان بزرگ‌نمایی کنید تا بدانید آنچه می‌بینید نماینده جهان است یا خیر. میدان دید بزرگتر به شما امکان می دهد از این مشکل واریانس کیهانی خارج شوید.

این میدان دید چگونه به تحقیقات شما کمک می کند؟

تحقیقات خودم روی کهکشان‌های کوچک است – هر چه کوچک‌تر باشند، برای من جالب‌تر هستند، زیرا آنها به انواع فیزیک ماده تاریک و فیزیک شرایط جهان اولیه و چیزهایی که در غیر این صورت کاوش در آنها سخت است، بسیار حساس هستند. با رومن، مانند یک ماشین شکار کهکشان برای این کهکشان های کوچک خواهد بود.

از آنجایی که این کهکشان ها بسیار کوچک هستند، چاه های پتانسیل گرانشی بسیار کم عمقی دارند [به این معنی که جرم زیادی ندارند و به طور خاص به هم متصل نیستند. و از آنجایی که آنها چاه های پتانسیل گرانشی کم عمقی دارند، نسبت به اتفاقاتی که در کیهان اولیه رخ داد، حساس ترند، به ویژه در دوران یونیزاسیون مجدد، زمانی که مقادیر فراوانی از تابش UV توسط ستارگان عظیم تولید می شد.

پیوندهای زیادی بین خواص این کهکشان ها و فیزیک یونیزه شدن مجدد وجود دارد، و این به فیزیک ماده تاریک مرتبط است، زیرا پتانسیل گرانشی توسط مقدار ماده تاریک تنظیم می شود.

بنابراین این راهی است که رومن در مورد ماده تاریک به ما می گوید، اما به نظر من کاملا غیر مستقیم است. آیا راه های مستقیم تری هم وجود دارد؟

یکی از چیزهایی که رومن قرار است اندازه‌گیری کند، عدسی گرانشی ضعیف است [که در آن یک جسم عظیم در پیش‌زمینه یک تصویر، نوری را که از اجسام پشت خود می‌آید منحرف می‌کند و به ما امکان می‌دهد جرم نسبتا نزدیک را حتی اگر نتوانیم مستقیما ببینیم، شناسایی و نقشه‌برداری کنیم. از طریق آن، می‌توانید خوشه‌بندی و شکل کهکشان‌هایی را که تحت تأثیر ماده تاریک و انرژی تاریک هستند، در طول زمان اندازه‌گیری کنید.

اندازه گیری عدسی ضعیف برای رومن بسیار عالی خواهد بود، زیرا برخی از سختگیرانه ترین الزامات در طراحی تلسکوپ مربوط به انجام این اندازه گیری عدسی ضعیف است. اندازه‌گیری واقعا سخت است، اما رومن یکی از دقیق‌ترین تلسکوپ‌های کالیبره‌شده تا کنون خواهد بود.

آیا توانایی‌های رومن در اندازه‌گیری ماده تاریک با آنچه در حال حاضر در آزمایشگاه‌ها و رصدخانه‌های اختر ذرات اتفاق می‌افتد، ارتباط دارد، زیرا آنها در حال بررسی امکان تشخیص ذرات ماده تاریک هستند؟

بله! اگر ذرات ماده تاریک متفاوتی داشته باشید یا ماهیت ماده تاریک متفاوت باشد، خوشه‌بندی کهکشان‌ها تغییر می‌کند. و با توانایی اندازه گیری بسیار دقیق آن با رومن، می تواند به محدود کردن یا محدود کردن برخی از نامزدهای ماده تاریک کمک کند. اگر ذره‌ای سبک‌تر و گرم‌تر ماده تاریک دارید، خوشه‌بندی کهکشان‌ها چندان فشرده نیست، و اگر ذره سردتر یا سنگین‌تر دارید، خوشه‌بندی کهکشان‌ها کمی فشرده‌تر است. اما این یک اثر بسیار ظریف است، به همین دلیل است که برای انجام آن باید تلسکوپی مانند رومن بسازید.

تلسکوپ رومی برای پرتاب در اتاق تمیز ناسا آماده می شود

همانطور که هیجان انگیز است، انرژی تاریک واقعا هدف اصلی رومن است، درست است؟ و این کمی پیچیده‌تر از ماده تاریک است، زیرا چیزی است که کل جهان را منبسط می‌کند، نه ماده‌ای که در یک مکان قرار گرفته باشد. بنابراین جدا از لنز، چگونه می خواهیم آن را مطالعه کنیم؟

یکی از روش‌هایی که انبساط جهان را اندازه‌گیری می‌کنیم، انفجارهای ابرنواختر نوع Ia است. اینها از نظر نحوه تغییر نور ناشی از انفجارهایشان با زمان، روشنایی و ویژگی های آنها بسیار قابل پیش بینی هستند، به همین دلیل است که ما آنها را "شمع های استاندارد" می نامیم. و بنابراین، به همین دلیل، اگر دیدید که یکی از آنها خاموش می شود و مشاهدات درست را انجام می دهید، می توانید بفهمید که چقدر دور است. این را با سرعت کهکشان میزبان انفجار ابرنواختر همراه کنید، و واقعا می توانید شروع به ترسیم چگونگی حرکت جهان در مقیاس های بزرگ کنید.

اما توانایی‌هایی که ما امروز داریم واقعا می‌تواند ابرنواخترها را فقط تا یک فاصله مشخص اندازه‌گیری کند، و بعد از آن، ما واقعا آن قابلیت‌ها را نداریم. اما رومن آن قابلیت‌ها را به همراه دارد، بنابراین اکنون می‌توانیم نوع ابرنواختر را از فواصل بسیار دور کیهانی اندازه‌گیری کنیم و یک روش واحد با یک نوع رصدخانه بدون عدم قطعیت‌های سیستماتیک زیادی داشته باشیم تا بتوانیم نرخ انبساط جهان را اندازه‌گیری کنیم. این می تواند به ما در درک شتاب و اینکه آیا در دوره های مختلف زمانی تغییر کرده است کمک کند.

راه دیگری که این کار را انجام می دهد، اندازه گیری نوسانات صوتی باریونی است، که این امواج صوتی هستند که در زمان های بسیار اولیه در جهان منجمد شدند. اینها بیشتر یک تکنیک خط کش استاندارد هستند [زیرا می دانیم اندازه آنها باید چقدر باشد، بنابراین با اندازه گیری اندازه ظاهری آنها، می توانیم فاصله آنها را تشخیص دهیم]. و رومن قادر خواهد بود شتاب در انرژی تاریک را نیز بر اساس آن مطالعه کند.

من فکر می کنم سوال بزرگ این است: آیا رومن در نهایت به این سوال پاسخ خواهد داد که ماده تاریک و انرژی تاریک واقعا چیست، یا این فقط یک قدم دیگر در مسیر طولانی به سمت پاسخ است؟

من فکر می‌کنم رومن می‌خواهد بینش جدیدی در مورد این سؤالات بزرگ به ما بیاورد. من صادقانه انجام می دهم. پیش‌بینی دقیق سطح پیشرفت دشوار است، اما ما قبلا چیزی شبیه رومن نداشته‌ایم. نظرسنجی‌های دیگری نیز وجود دارد، و ما به روش‌های مختلف چیزهای مهمی را از همه آنها یاد خواهیم گرفت. رومن تنها بازی در شهر نیست.

اما این جدیدترین بازی در شهر است.

این جدیدترین بازی در شهر است. و من کمی مغرضانه هستم، اما این بهترین بازی در شهر است. من فکر می‌کنم رومن بینش‌های عمیقی را در مورد ماهیت انرژی تاریک، اما همچنین ماده تاریک به ما می‌دهد، و فکر می‌کنم ما چیزهای زیادی یاد خواهیم گرفت. آیا به طور کامل تمام اسرار مرتبط با این پدیده ها را آشکار می کند؟ بعید است. می دانید، جهان مکانی بسیار پیچیده و شگفت انگیز است، و هر چه بیشتر یاد بگیریم، بیشتر می دانیم که چیزهای بیشتری برای یادگیری وجود دارد. اما من فکر می کنم رومن فقط یک قدم در یک راه طولانی نیست. ما با مشاهدات رومی به اکتشافات مهمی دست خواهیم یافت.