Euclid: Ny europæisk satellit er begyndt at afsløre det usynlige univers

Europas nye astronomiske satellit er ankommet til det sted, hvorfra den de kommende år skal studere universet.

Det er det såkaldt andet Lagrangepunkt, L2, der befinder sig 1,5 millioner kilometer fra Jorden, hvilket er fire gange Jordens afstand til Månen.

Herfra er der en helt fantastisk udsigt til universet, fordi Jorden ikke fylder ret meget – det er bare en lille blå klode, der set fra L2 ikke er meget større end Månen set fra Jorden.

Velkommen til L2!

L2 er et af de fem såkaldte Lagrangepunkter, hvor en satellit kan holde en konstant position i forhold til Jorden.

I dette punkt er satellitten påvirket både af Jordens og Solens tyngdekraft på en sådan måde, at den følger Jorden i sin bane, og dermed ligesom Jorden har en omløbstid på et år omkring Solen.

Da satellitten er længere væk fra Solen end Jorden, ville man jo forvente en omløbstid på mere end et år, så satellitten i sin bane om Solen ville komme bagud i forhold til Jorden. Men i L2 giver Jorden lige netop den ekstra tyngdekraft, der gør at omløbstiden holder sig på et år.

L2 er er ustabilt Lagrangepunkt, forstået på den måde, at en satellit overladt til sig selv hurtigt ville drive bort.

Når man sender en satellit mod L2 sigter man ikke efter selve punktet, men søger i stedet at sende satellitten ind i en bane omkring L2. Disse baner er også ustabile, men det kræver kun meget små mængder brændstof for at holde satellitten på plads i den valgte bane.

Euclid medfører brændstof til at holde banen i mindst seks år. Det er en aflang bane, mellem 400.000 og 800.000 kilometer fra selve L2, så det tager et halvt år at gennemføre bare ét omløb i banen.

.

ESA er bundet af en vigtig regel, nemlig at man skal forlade L2, når opgaven er fuldført, så det sidste brændstof vil blive anvendt til at sende Euclid ind i en bane om Solen. Her er bunker af plads, men kravet er, at Euclid ender i en bane, hvor den ikke vil ramme Jorden de næste 100 år.

Med Euclid er der nu fire astronomiske satellitter i bane om L2, nemlig:

• James Webb (USA, Europa og Canada)
• Gaia (Europa)
• Euclid (Europa)
• Spektr RG (Russisk- tysk )

L2 har været brugt siden 2001, og man har siden da fjernet ikke mindre end fem satellitter for at området ikke bliver overfyldt. Det er nok en god ide, for i de kommende år skal der sendes ikke mindre end syv nye astronomiske satellitter til L2.

For øjeblikket er der så god plads, at der normalt er over 100.000 kilometer mellem de fire satellitter. Der er kun det problem, at L2 er så langt fra Jorden, at man ikke bare kan sende et hold astronauter op og reparere en satellit – noget, som især Hubble-teleskopet har nydt godt af.

Men Hubble kredser også kun 500 kilometer fra Jorden, og det giver den ulempe, at fra denne lave højde fylder Jorden næsten halvdelen af himlen.

Euclid skal kortlægge det usynlige univers

Den helt store forskel mellem Euclid og James Webb er måden, de undersøger universet.

Med sit 6,5 meter store spejl kan James Webb tage fine og detaljerede billeder af fjerne galakser og stjerner, men synsfeltet er lille.

Euclid har kun et 1,2 meter stort spejl, og der findes givetvis amatører, som har et lige så stort teleskop stående hjemme. Men Euclid observerer fra rummet, og teleskopet har et synsfelt, der er er mere end det dobbelte af det areal, Månen dækker på himlen.

Det gør Euclid enestående egnet til at kortlægge universet.

Formålet med kortlægningen er at undersøge to af de kræfter, der har styret universets udvikling siden Big Bang, nemlig mørkt stof og mørk energi. Problemet er bare, at både mørkt stof og mørk energi er usynlige, og det gør naturligvis en kortlægning meget vanskelig.

Det har været en af astronomiens helt store overraskelser, at vi i virkeligheden kun kan se 5% af det stof, som er i universet.

95% af universet består af mørkt stof og mørk energi, og her regner man så den mørke energi med til stoffet. Det kan man gøre på grund af Einsteins berømte ligning E = m∙c², der siger, at enhver energimængde - E - kan omregnes til en masse - m.

Gør man det, er vores bedste bud på universets sammensætning:

Almindeligt stof	5%	Synligt
Mørkt stof	27%	Usynligt
Mørk energi	68%	Usynligt

Det kan være svært at forholde sig til, men hvis man satte det ind i et cirkeldiagram bliver det tydeligt, hvor lidt af vores univers, der egentlig består af almindeligt stof.

Selv om vi hverken kan se mørkt stof eller mørk energi, viser tallene, at begge dele må spille en meget stor rolle i universet.

Det mørke stof blev oprindeligt opdaget af astronomen Fritz Zwicky i 1933 ved at undersøge en hob af galakser.

Her viste han, at galakserne bevægede sig alt for hurtigt til, at hoben kunne holdes sammen af tyngdekraften fra det stof, man kunne se. Der måtte være en ekstra tyngdekraft fra noget usynligt stof, som han kaldte dunkle materie, altså mørkt stof.

Senere er der blevet foretaget et utal af målinger, der viser, at det ikke bare er galakser, der er påvirket af denne ’dunkle materie’ – men også de enkelte stjerners bevægelse i galakser er påvirket af en ekstra tyngdekraft fra et usynligt stof, som man stadig ikke ved, hvad er. Den ekstra tyngdekraft fra det mørke stof ved vi i dag, har været nødvendigt, for at galakser kunne dannes.

Den mørke energi blev opdaget i 1998 ved studier af fjerne supernovaer, der viste, at universet udvider sig stadig hurtigere. Det var en meget uventet opdagelse, fordi man regnede med, at tyngdekraften langsomt ville bremse udvidelsen – måske endda så meget, at udvidelsen ville erstattes af en sammentrækning.

Beviserne var primært baseret på, at de fjerne supernovaer havde en mindre lysstyrke end forventet i et univers, hvor udvidelsen bremses af tyngdekraften. Den mindre lysstyrke kunne forklares ved, at lyset havde været længere tid undervejs end forventet.

Den simpleste forklaring var derfor, at universet for milliarder af år siden havde en mindre udvidelseshastighed end i dag. For at forklare observationerne, var man nødt til at indføre en frastødende kraft, kaldet mørk energi.

Men i videnskaben er det et princip: Naming is not the same as explaining. Begrebet mørk energi er kun et navn, som ikke giver nogen forklaring, fordi vi stadig ikke har nogen anelse om, hvad mørk energi er.

Det er tyngdekraften og den mørke energi, der tilsammen bestemmer, hvordan universet udvider sig – men vi ved ikke med sikkerhed, hvornår den mørke energi blev så meget stærkere end tyngdekraften, at universet begyndte at udvide sig hurtigere.

Når man nu ikke kan se hverken mørkt stof eller mørk energi, så er der kun en mulighed tilbage, nemlig at studere et stort antal galakser for på en eller anden måde at se, hvorledes de er blevet påvirket af mørkt stof og mørk energi.

For at løse den opgave er det vigtigt, at hvert eneste billede, som Euclid tager, viser mange galakser – derfor det store synsfelt for teleskopet.

Det er altså nødvendigt at observere mindst 1,5 milliarder galakser i løbet af de bare seks år, som Euclid med sikkerhed vil have styrebrændstof til at holde sig på plads i banen.

Euclid og det mørke stof

For at kortlægge mængden og fordelingen af det mørke stof benytter Euclid en metode, der hedder weak gravitational lensing, baseret på Einsteins almene relativitetsteori fra 1915.

Einstein forudsagde, at tyngdefelter kan afbøje lys, og så er det ligemeget om tyngdefeltet er skabt af almindeligt stof eller mørkt stof. Vi ved i dag, at alle galakser og galaksehobe er omgivet af en halo af mørkt stof.

Når lys fra en fjern galakse passerer en galakse på sin vej mod Jorden, så afbøjer især det mørke stof lyset. Tyngdekraften fra det mørke stof kommer derved til at virke som en såkaldt gravitationslinse. Navnet skyldes, at afbøjningen af lyset minder lidt om den måde, som lys bliver afbøjet i en almindelig glaslinse i et teleskop.

Hvis du har brug for en nærmere forklaring, så kommer der her to gode og vigtige videoer, der forklarer, hvordan gravitationslinser virker.

Gravitationslinser spiller i dag en stor rolle ved udforskningen af universet, fordi de kan virke som gigantiske teleskoper, der koncentrer lyset fra meget fjerne galakser.

Det gør det muligt at se længere ud i universet, end vi kan med selv store teleskoper, men prisen er, at gravitationslinser viser stærkt forvrængede, forstørrede og måske ligefrem flere billeder af en galakse.

I disse tilfælde taler vi om den stærke linseeffekt. Den er sjælden, fordi den kræver, at lyset fra den fjerne galakse passerer præcist så meget gennem en halo af mørkt stof, at lyset virkelig bliver afbøjet. Meget mere almindelig er den svage linseeffekt, hvor det eneste man ser, er systematisk forvrængede billeder af baggrundsgalakse, men det er nok til, at man kan beregne mængden af mørkt stof i galaksehobene.

Forvrængningerne er så små, at de ikke kan måles nøjagtigt af jordbaserede teleskoper på grund af sløring forårsaget af Jordens atmosfære.

»Effekten er meget lille, mindre end 1%,« siger Giuseppe Racca, som er Euclid-projektleder hos European Space Agency (ESA), til netmediet Space.com.

»Det er meget svært at opdage denne lille effekt. Vi skal være meget, meget præcise med vores billedkvalitet og måle mange, mange galakser for at kunne udlede noget.«

For overhovedet at kunne se forvrængningerne, er det altså nødvendigt med skarpe og gode galaksebilleder, og det kan det lille teleskop på Euclid godt levere. Trods teleskopets beskedne størrelse regner man med en opløsningsevne der er op til fire gange bedre, end hvad man til dato har opnået ved de kortlægninger, der er foretaget fra observatorier her på Jorden.

På Euclids billeder vil man derfor kunne se detaljer på fjerne galakser, som man ikke kan se her fra Jorden, og dermed bedre se om billedet er forvrænget.

Ved at bruge noget ret kompliceret matematik kan astronomer bestemme mængden af mørkt stof mellem Euklid og de fjerne galakser, hvis billeder er blevet forvrænget. Det giver mulighed for at skabe det første 3D-kort nogensinde over det mørke stofs fordeling i universet.

Det er på den måde, man søger at beregne mængden af mørkt stof i universet – men hvem sagde, at den opgave skulle være let?

Euclid og den mørke energi

Måling af den mørke energi er også ganske vanskelig, fordi den mørke energi er så svag, at vi skal måle universets udvidelse over mange milliarder år for med sikkerhed at kunne sige, at udvidelsen foregår stadig hurtigere.

Vi skal måle på en masse galakser med vidt forskellige afstande – men det er jo lige det, som er Euclids spidskompetence. Der er brug for to målinger:

• Universets størrelse, dengang lyset fra galaksen blev udsendt
• Den tid, der er gået siden lyset blev udsendt.

Lad os tage universets størrelse først. Da ingen ved, hvor stort universet er, så mener astronomerne med størrelse gennemsnitsafstanden mellem galakserne. Så når vi taler et univers halvt så stort som det er nu, så taler vi om en tid hvor galaksernes gennemsnitsafstand var den halve af i dag.

Lad os se på lyset fra en galakse, hvor lyset begyndte sin rejse, da universet var halvt så stort som nu. Galaksen udsendte gult lys fra Natrium med en bølgelængde på 580 nm. Men på grund af universets udvidelse modtager vi lyset med en dobbelt så stor bølgelængde, i dette tilfælde som infrarødt lys med en bølgelængde på 1160 nm.

Så hvis vi måler det oprindeligt gule natriumlys som infrarødt lys på 1160 nm, så ved vi, at lyset fra galaksen blev udsendt, da universet var halvt så stort som nu. De målinger klares ved, at Euclid også tager spektre af alle de galakser den observerer.

Men for at kunne sige, om universet for milliarder af år siden har udvidet sig hurtigere eller langsommere end i dag, kræves endnu en måling, da man skal vide, hvornår lyset blev udsendt, med andre ord galaksens afstand i milliarder lysår. Med en sådan måling kan man nemlig tegne en kurve, der viser hvor hurtigt universet har udvidet sig siden Big Bang.

Hvis det viser sig, at galaksen fra før har en afstand på syv milliarder lysår, ja, så ved vi jo, at det er syv milliarder år siden, at universet var halvt så stort som nu.

Til måling af afstande bruges en metode baseret på, hvordan galakserne fordeler sig i rummet. Det er en meget teoretisk metode baseret på, at der, da galakserne blev dannet, opstod lydbølger i rummet, kaldet baryon akustiske oscillationer, der bestemmer, hvorledes galakserne senere har fordelt sig i rummet, efterhånden som universet har udvidet sig.

Man kan så ud fra fordelingen beregne alderen af de galakser man observerer. For dem, der ønsker en dybere forklaring, kan vi henvise til to kilder (hér og hér).

Vi slutter med at citere Mike Seiffert fra NASA:

»Euclid er designet til nøjagtigt at måle, hvordan universet har udvidet sig, og hvorledes strukturer i universet har udviklet sig over de sidste 10 milliarder år. Vi vil gøre dette ved at måle de nøjagtige, tredimensionelle positioner af titusinder af galakser og de præcise former for over en milliard galakser og bruge statistiske teknikker til at forstå universets udvidelse og struktur.«

Vi har haft sådanne data i mere end 25 år, men det, astronomerne gerne vil have, er så mange galaksemålinger, at kurven over universets udvidelse bliver meget mere præcis.

Og det er netop den opgave, Euclid skal klare

Euclid og James Webb samarbejder

For at indsamle de nødvendige data vil Euclid tage billeder af galakserne i infrarødt lys, svarende til hvad Webb gør med sit infrarøde kamera (NIRCam). Forskellen er, at Euclids kamera har et stort synsfelt, men til gengæld er billederne så heller ikke så detaljerede.

ESA formulerer det således:

Euclid er i stand til at se områder af himlen 100 gange bredere end Webbs NIRCam.

For eksempel vil Euclid indsamle data fra 40.000 felter på himlen, hvor hvert felt dækker et areal på mere end det dobbelte af Månen og rummer 10 GB data. Webb kan supplere Euclids målinger ved at give mere detaljerede observationer af mindre udsnit af himlen, end hvad Euclid er i stand til.

Hvad der også er meget vigtigt er, at Webb med sit store spejl kan se næsten helt tilbage til Big Bang, hvad Euclid ikke kan, da den ikke kan komme Big Bang nærmere end 2-3 milliarder år.

Så der skal nok blive brug for begge teleskoper.

Vi går en spændende tid i møde.