Euclid – de zoektocht naar donkere materie en donkere energie

De Euclid-missie van de ESA zal de geometrie van materie in het heelal in kaart brengen en dan met name de vorm van de verdeling van sterrenstelsels om op die manier meer te weten te komen over de delen van het heelal die we niet kunnen zien: donkere materie en donkere energie.

De Euclid-missie gaat gedurende zijn verwachte missieduur van 6 jaar, ongeveer 1,5 miljard sterrenstelsels in kaart brengen over een periode van 10 miljard jaar kosmische geschiedenis.

Euclid zal met behulp van een Falcon 9-raket van SpaceX worden gelanceerd vanaf het Kennedy Space Center in Florida. De missie is al verschillende keren vertraagd. De lancering was oorspronkelijk voorzien met behulp van een Russische Sojoez-raket vanaf de Europese lanceerbasis Kourou in Frans-Guyana. Dit kon, vanwege de Russische inval in Oekraïne, niet doorgaan. De lancering van Euclid staat momenteel gepland voor 1 juli 2023.

Waar gaat Euclid naar toe?

Euclid gaat zijn onderzoek doen vanuit Lagrangepunt L2. De ruimtesonde heeft ongeveer 30 dagen nodig om daar te komen. In L2 bevindt Euclid zich in goed gezelschap want ook de James Webb Space Telescope bevindt zich daar. L2 ligt ongeveer 1,6 miljoen kilometer van de Aarde maar in tegenovergestelde richting van de Zon. Het is een bijzondere locatie omdat het in L2 is waar de zwaartekracht van de Aarde en de Zon in evenwicht zijn met de naar buiten gerichte middelpuntvliedende kracht die op de ruimtesonde inwerkt terwijl het in zijn baan om de Aarde draait. Dit zorgt voor een quasi-stabiele locatie – de ruimtesonde wordt niet dieper de ruimte in geslingerd maar er zijn wel manoeuvreermotoren nodig om de positie in L2 te behouden.

L2 biedt ook een duidelijker zicht op de verre ruimte, met de Aarde, de Maan en de Zon altijd achter de ruimtesonde. Dit is essentieel als Euclid wil slagen in zijn missie om 1,5 miljard sterrenstelsels in de afgelopen 10 miljard jaar kosmische geschiedenis in kaart te brengen met een beeldkwaliteit die vier keer scherper is dan die van vergelijkende onderzoeken vanaf de Aarde.

Als onderzoeksmissie zal Euclid minstens 6 jaar meegaan en 15.000 vierkante graden hemel bestrijken. Het onderzoek zal worden uitgevoerd in een “step-and-stare” modus, wat betekent dat de telescoop per keer richt en metingen uitvoert op ongeveer 0,5 vierkante graden van de hemel.

WHO IS THE EUCLID MISSION NAMED AFTER?

Het is passend voor een ruimtemissie die de geometrie van het heelal in kaart zal brengen om vernoemd te worden naar de vader van de geometrie. De Griekse wiskundige Euclides van Alexandrië leefde in de tijd van Alexander de Grote, en hoewel de bekende details van zijn leven op zijn best schetsmatig zijn, was zijn nalatenschap de uitvinding van de geometrie als wiskundig onderwerp. Euclides vond uit wat we tegenwoordig Euclidische meetkunde noemen, wat de basis vormt voor wiskundige velden zoals trigonometrie.

Het heelal heeft ook een Euclidische geometrie. Metingen door de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) van de NASA tonen aan dat het heelal “plat” is en geen kromming heeft zoals een bol of een zadel. Evenwijdige lijnen blijven voor altijd evenwijdig, en binnenhoeken van driehoeken zijn altijd 180°.

Wat gaat Euclid doen?

Euclid gaat wetenschappers meer laten zien over het “donkere heelal”. Een van de belangrijkste doelen is het nauwkeurig in kaart brengen van de roodverschuiving van sterrenstelsels – het uitrekken van licht tot rodere golflengtes wanneer een object van ons weg beweegt, zoals het geval is wanneer het heelal zich in alle richtingen uitbreidt. De wet van Hubble vertelt ons dat de afstand tot een sterrenstelsel gerelateerd is aan hoe snel de uitdijing van het heelal dat sterrenstelsel van ons wegvoert, en hoe hoger de recessiesnelheid (= de snelheid waarmee sterrenstelsels zich van ons verwijderen), hoe verder weg het sterrenstelsel en hoe groter de roodverschuiving. Daarom vertelt het meten van de roodverschuiving astronomen de snelheid van de uitdijing van het heelal en de kracht van donkere energie terwijl het die uitdijing versnelt. De missie zal terugkijken op sterrenstelsels die al 10 miljard jaar geleden bestonden (een roodverschuiving van ongeveer 2), oftewel meer dan twee keer zo oud als ons zonnestelsel. Gedurende tenminste 6 jaar zal Euclid ongeveer 36% van de sterrenhemel in kaart brengen en een extra diep onderzoek uitvoeren over drie kleinere velden van de sterrenhemel van in totaal 40 vierkante graden.

De detectoren van Euclid zullen twee kosmologische onderzoeken uitvoeren. Men zal de zwakke zwaartekrachtslensing bestuderen – de marginale buiging van licht veroorzaakt door concentraties van materie. Dit is handig voor het in kaart brengen van de locatie van donkere materie rond sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels door te meten hoeveel de beelden van sterrenstelsels worden vervormd door de lenswerking.

Het andere onderzoek zal baryonische akoestische oscillaties (BAO) bestuderen, overblijfselen van fluctuaties in de kosmische achtergrondstraling (CMB) die zich tegenwoordig manifesteren in de ruimtelijke verdeling van sterrenstelsels. Op zeer grote schaal hebben sterrenstelsels de neiging om in paren te clusteren, gescheiden door een standaardafstand. Deze standaardafstand is gekoppeld aan geluidsgolven in plasma (geïoniseerd gas) in het jonge heelal; de geluidsgolven propageren zich als dichtheidsgolven door het plasma en zijn tegenwoordig gekoppeld aan de locaties van halo’s van donkere materie, of concentraties van donkere materie geassocieerd met sterrenstelsels. De grootte van deze standaardafstand neemt in de loop van de tijd toe naarmate het heelal uitdijt, dus BAO’s zijn daarom een standaardlineaal om de uitdijing van het heelal te meten, en daarmee de sterkte van donkere energie in verschillende tijdperken in de kosmische geschiedenis.

Euclid feiten

Hoe zal de Euclid-missie onze kennis over donkere energie verbeteren?

Donkere energie is in wezen een bijnaam voor iets dat zorgt dat het heelal versnelt uitdijt. Deze versnelling lijkt ongeveer 5 miljard jaar geleden te zijn begonnen en werd ontdekt door vanaf de Aarde de recessiesnelheid van verre sterrenstelsels waar te nemen.

Het versnellingsgedrag komt overeen met een soort “afstotende” energie van het vacuüm met constante dichtheid of een kosmologische constante van de algemene relativiteitsvergelijkingen, die de zwaartekracht beschrijven als een relatie tussen materie en ruimtetijd geometrie. Euclid zal ons begrip in wezen verbeteren door te meten of de dichtheid van donkere energie de afgelopen 10 miljard jaar echt constant is.

Wat zal het in kaart brengen van sterrenstelsels ons leren over donkere materie?

Donkere materie is de overheersende vorm van materie in het heelal. Zonder dit zouden er in het jonge heelal vermoedelijk geen sterren zijn ontstaan. De aanwezigheid van donkere materie in het hele heelal is essentieel voor het ontstaan van kosmische structuren.

Donkere materie is niet zichtbaar en absorbeert geen straling, maar buigt licht af vanwege zijn zwaartekracht (preciezer vanwege zijn kromming van de ruimtetijd) en vervormt de vorm van sterrenstelsels zoals gezien door de waarnemer. Dit effect wordt gravitationele zwakke lensing genoemd. Door verre sterrenstelsels waar te nemen, waarvan het licht door de materie (zowel donker als normaal) van de bron naar ons is gereisd, kunnen we de verdeling van donkere materie op zijn pad meten. Door dit te doen met miljarden sterrenstelsels, zal Euclid een volledige kaart maken van de verdeling van donkere materie in het hele heelal.

Hoe verschilt Euclid van andere onderzoeken naar donkere energie?

Er zijn inderdaad veel kosmologische onderzoeken. Die worden voornamelijk vanaf de Aarde uitgevoerd en er staat er eentje (de Roman Space Telescope van de NASA) in de planning. De kwaliteit van Euclid zit hem in de beeldscherpte waardoor het de systematische fouten met betrekking tot het eerder genoemde zwakke lensing onderzoek kan minimaliseren. Bovendien zorgt het karakteristieke ontwerp van Euclid ervoor dat de telescoop in relatief korte tijd (6 jaar) een groot deel van de sterrenhemel (36%) met ene ongekende nauwkeurigheid en precisie kan bestrijken. Wat het spectroscopische vermogen betreft zal Euclid ook waarnemingen doen van licht van sterrenstelsels op nabij-infrarode golflengtes. Dit licht wordt door de atmosfeer van de Aarde geabsorbeerd en is daarom vanaf de grond niet zichtbaar. Dit vermogen wordt gebruikt om de recessiesnelheid van honderden miljoenen sterrenstelsels tot wel 10 miljard lichtjaar afstand nauwkeurig te meten.

De Euclid ruimtesonde

Euclid is ongeveer 2100 kilogram zwaar, 4,5 meter hoog en heeft een diameter van 3,1 meter. Vergeleken met bijvoorbeeld de Webb Telescope is Euclid in grootte en complexiteit een bescheiden apparaat. De wetenschap met Euclid zal worden uitgevoerd door twee instrumenten en de ingebouwde telescoop van 1,2 meter zal licht opvangen en splitsen voor analyse. Deze telescoop heeft een effectief brandpunt van 24,5 meter.

Een van deze instrumenten is een Visible Imager (VIS) die bestaat uit 36 CCD’s die speciaal voor de missie zijn ontwikkeld. VIS heeft een gezichtsveld van 0,787° bij 0,709°. Dat is iets groter dan het gebeid dat door twee volle manen aan de hemel wordt bestreken.

Het tweede instrument is de Near-Infrared Spectrometer and Photometer (NISP), die nabij-infraroodfotometrie van sterrenstelsels zal uitvoeren. Het doel is om de waarnemingen van VIS en NISP te combineren om de roodverschuiving van sterrenstelsels nauwkeurig te meten.

NISP zal ook de chemie van sterrenstelsels en de beweging van sterren en gas daarin onderzoeken om erachter te komen hoe sterrenstelsels draaien en om licht te werpen op hoe ze zijn ontstaan.

Wat zijn donkere energie en donkere materie?

Donkere materie en donkere energie vormen het grootste deel van de massa en energie in het heelal. Donkere materie is een onzichtbare substantie waarvan we de aanwezigheid alleen kunnen afleiden uit de zwaartekracht ervan. Donkere materie draagt voor ongeveer 28,6% bij aan alle materie en energie in et heelal. Donkere energie daarentegen is een mysterieus energieveld dat de uitdijing van het heelal versnelt en goed is voor ongeveer 68,3% van alle massa en energie in het heelal. De resterende 4,9% is al het andere dat we in het heelal kunnen zien – mensen, planeten, sterren, nevels en sterrenstelsels.

Samen beïnvloeden donkere materie en donkere energie de geometrie van het heelal. Klonten donkere materie creëren zwaartekrachtbronnen die de anders rechte lichtbanen van verder weg gelegen objecten kunnen buigen, terwijl donkere energie, door de versnelde uitdijing van het heelal aan te drijven, klonten materie van elkaar wegtrekt, waardoor de algehele dichtheid van materie in het heelal afneemt. Door te meten hoe ze het heelal beïnvloeden kunnen astronomen belangrijke inzichten verwerven in hun raadselachtige aard.

Eerste publicatie: 5 juli 2023
Bron: ESA, space.com & NASA