Europäisches „Teleskop für dunkle Energie“ wurde gestartet, um die größten Geheimnisse der Kosmologie zu erforschen

SpaceX startete am Samstag das 1,5 Milliarden US-Dollar teure Euklid-Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumorganisation, ein ehrgeiziger, einzigartiger Versuch, die Natur der Dunklen Materie – eines unbekannten Materials, das den Kosmos durchdringt – und der Dunklen Energie, der mysteriösen abstoßenden Kraft, zu bestimmen Beschleunigung der Expansion des Universums.

„Es ist sehr schwierig, eine schwarze Katze in einem dunklen Raum zu finden, besonders wenn keine Katze da ist“, sagte Henk Hoekstra, Astronom an der Universität Leiden und euklidischer Wissenschaftskoordinator. „Das ist ein bisschen die Situation, in der wir uns befinden, weil wir diese Beobachtungen haben, uns aber eine gute Theorie fehlt.“

„Bisher hat niemand eine gute Erklärung für dunkle Materie, dunkle Energie und andere Herausforderungen gefunden, die auch mit der Teilchenphysik zu tun haben. … Der Start von Euclid trägt die Kosmologie wirklich in die Zukunft. Es ist die erste Weltraummission, die darauf ausgelegt ist.“ Studieren Sie dunkle Energie.

Im Jahr 1998 erwarteten Astronomen, die die Expansion des Universums kartierten, eine Verlangsamung aufgrund der Schwerkraft aller seiner Bestandteile. Sie waren erstaunt, als sie vor 5 bis 6 Milliarden Jahren entdeckten, dass sich der Weltraum ausdehnte und alles darin schneller wurde. Die unbekannte Kraft, die diese Beschleunigung antreibt, wurde dunkle Energie genannt.

Forscher sind seitdem zu dem Schluss gekommen, dass dunkle Energie fast drei Viertel des Massenenergiehaushalts des gesamten Universums ausmacht. Dunkle Materie macht etwa 24 % des Universums aus, während die Atome und Moleküle, aus denen normale Materie besteht – Erde, Menschen, Sterne und Galaxien – nur 5 % ausmachen.

Durch die Untersuchung subtiler Veränderungen im Licht von Galaxien in den letzten 10 Milliarden Jahren werden Euklids Kameras Wissenschaftlern dabei helfen herauszufinden, ob dunkle Energie mit einer unveränderlichen „kosmologischen Konstante“ übereinstimmt, die einst in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wurde, oder ob das aktuelle Verständnis der Schwerkraft bedarf einer Überarbeitung.

Yannick Mellier, Astronom am Institut d’Astrophysique de Paris und Mitglied des Euclid-Wissenschaftsteams, sagte es so:

„Das Ziel der Euclid-Mission besteht darin, Antworten auf die folgenden Fragen zu liefern: Warum beschleunigt sich die Expansion des Universums? Was ist die Natur der Dunklen Energie? Ist sie eine kosmologische Konstante? Ist sie eine dynamische dunkle Energie mit Eigenschaften, die … kann sich mit der Zeit ändern? Oder handelt es sich um eine Abweichung von der allgemeinen Relativitätstheorie auf kosmologischen Skalen?“

Gleichzeitig wird Euklid auch die Natur der Dunklen Materie untersuchen, einem Meer aus Teilchen, die weder Licht noch andere elektromagnetische Strahlung aussenden oder reflektieren, deren Gravitationseffekte aber deutlich sichtbar sind. Dunkle Materie verhindert, dass Galaxien auseinanderfliegen, und beeinflusst, wie sich Galaxien in den 13,7 Milliarden Jahren seit dem Urknall entwickelt und angehäuft haben.

„Euclid wird die Verteilung der Dunklen Materie und der Galaxien mit beispielloser Präzision vom Weltraum aus untersuchen“, sagte Mellier. „Es wird auch die kosmische Geschichte des Universums in den letzten 10 Milliarden Jahren rekonstruieren.“

Dies geschieht durch die Abbildung von mehr als 10 Milliarden Galaxien. Software vor Ort wird dabei helfen, 1,5 Milliarden oder mehr der besten Kandidaten zu identifizieren und zu analysieren, wie ihre Formen durch Wolken unsichtbarer dunkler Materie verzerrt wurden, die den Raum zwischen Euclid und seinen Zielen füllen.

Die als schwache Gravitationslinse bekannte Technik ähnelt im Konzept der Art und Weise, wie Wasser die Formen von über ein Bachbett verstreuten Steinen leicht verzerrt. Es handelt sich kosmologisch gesehen um einen äußerst subtilen Effekt, dessen Entschlüsselung komplexe Software, leistungsstarke Computer und mehr als 1.500 Wissenschaftler in neun Forschungszentren erfordert.

Aber wenn alles gut geht, wird Euclid „die Verteilung der Dunklen Materie direkt beobachten, indem er den Gravitationslinseneffekt nutzt, der die Formen von Galaxien verändert, die durch die gesamte Verteilung der Dunklen Materie entlang einer bestimmten Sichtlinie abgelenkt werden“, sagte Mellier. „Und das wird die Verteilung der unsichtbaren Dunklen Materie in einem Euklid-Feld ermöglichen.“

Spektroskopische Beobachtungen von zig Millionen Galaxien werden es Forschern ermöglichen, Entfernungen und Geschwindigkeiten in drei Dimensionen abzubilden und Aufschluss darüber zu geben, ob dunkle Energie tatsächlich die Kraft hinter der Beschleunigung der kosmischen Expansion ist oder ob möglicherweise eine andere Erklärung erforderlich ist.

Die Mission begann am Samstag um 11:12 Uhr EDT, als eine SpaceX Falcon 9-Rakete auf der Cape Canaveral Space Force Station zum Leben erwachte. Nach einer blitzschnellen Runde von Computerkontrollen wurde die Rakete freigegeben, um mit einer Schubkraft von 1,7 Millionen Pfund davonzusteigen und den Anwohnern und Touristen der Gegend ein spektakuläres Himmelsspektakel am Wochenende zu bieten.

Einundvierzig Minuten später, nach zwei Zündungen des Zweitstufentriebwerks der Rakete, konnte Euclid selbstständig fliegen. Die erste Stufe der Falcon 9 flog, wie bei SpaceX üblich, selbst zur Landung auf einem Offshore-Drohnenschiff.

Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) hatte sich letztes Jahr darauf vorbereitet, das Weltraumteleskop Euclid mit einer russischen Sojus-Rakete in Kourou, Französisch-Guayana, zu starten. Doch nach dem Einmarsch Russlands in die Ukraine scheiterten diese Pläne und Euklid hatte keine Möglichkeit, ins All zu fliegen.

Im vergangenen Juli kontaktierte die ESA SpaceX wegen eines möglichen Starts mit der Falcon-9-Rakete des Unternehmens. Am Ende des Jahres lagen die Verträge vor und das Team konnte mit dem Start am Samstag beginnen.

„Wir schulden SpaceX großen Dank“, sagte Mike Healy, Leiter der Wissenschaftsprojekte bei der ESA. „Ohne sie würde unser Satellit zwei Jahre lang am Boden bleiben.“

Euclid ist auf dem Weg zu einer Region im Weltraum, etwa eine Million Meilen von der Erde entfernt – Lagrange-Punkt 2 –, wo sich die Schwerkraft von Sonne und Erde zu einer Ruheregion vereint, in der Raumfahrzeuge mit minimalem Manövrieren und minimalem Treibstoffverbrauch an Ort und Stelle bleiben können. Das James Webb-Weltraumteleskop arbeitet ebenfalls am L2-Punkt.

Der 4.760 Pfund schwere Euclid ist mit einem nahezu perfekten 3 Fuß 11 Zoll breiten Primärspiegel und zwei Instrumenten ausgestattet: einer 600-Megapixel-Kamera für sichtbares Licht und einem 64-Megapixel-Infrarot-Bildspektrometer. Das Sichtfeld des Teleskops ist etwa doppelt so groß wie das des Vollmondes.

Nach einer einmonatigen Prüf- und Kalibrierungsphase wird Euclid mit der Kartierung von 15.000 Quadratgraden des Himmels beginnen, der den gesamten Raum außerhalb der Milchstraße umfasst und Galaxien und Galaxienhaufen abbildet, die 10 Milliarden Jahre alt sind.

Damit wird der Übergang von der anfänglichen durch die Schwerkraft verursachten Verlangsamung des Universums zur Ära der beschleunigten Expansion unter der aufkommenden Dominanz der Dunklen Energie erfasst.

„Euclid kann auf einen Schlag ein Feld bieten, das viel größer ist als das, was Hubble erreichen kann“, sagte René Laureijs, Euclid-Projektwissenschaftler der ESA. „Während seiner gesamten Lebensdauer hat Hubble nicht mehr als 100 Quadratgrad zurückgelegt, und das kann Euklid in 10 Tagen schaffen. Um also unsere 15.000 Quadratgrad zu erreichen, was der Größe unserer Himmelsdurchmusterung entspricht, brauchen wir diese großen.“ Bilder des Himmels.

Euclid wird sechs Jahre brauchen, um seine Himmelskarte fertigzustellen. Dabei werden pro Tag etwa 100 Gigabyte komprimierte Daten erzeugt, was im Verlauf der Mission schätzungsweise 70.000 Terabyte entspricht, die kaum vorstellbar sind.

„Ihr iPhone hat vielleicht 10 Megapixel“, sagte Jason Rhodes, ein Mitglied des Forscherkonsortiums Euclid. „Die beiden Euclid-Kameras haben also zusammen fast 700 Megapixel. Wir werden sechs Jahre lang alle paar Minuten Bilder mit diesen Kameras aufnehmen.“

„Aber die Datenmenge, die wir nach unten senden, verglichen mit der Datenmenge, die sich am Ende des Prozesses vollständig im Archiv befindet, ist ein weiterer Faktor tausend.“

Gaitee Hussain, Leiterin der Wissenschaftsabteilung der ESA, sagte, dass diese Bilder 8 Milliarden Galaxien umfassen werden, „von denen die besten eineinhalb bis zwei Milliarden Galaxien für das Experiment zur schwachen Linsenwirkung ausgewählt werden.“

„Wir werden Millionen, Dutzende Millionen spektroskopischer Rotverschiebungen sowie buchstäblich Milliarden photometrischer Rotverschiebungen sammeln, um die Entfernungen der Galaxien zu verstehen, die wir betrachten“, fügte sie hinzu.

„Dies erfordert enorme Datenraten, nicht nur, um die Daten zur Erde zu bringen, sondern auch im Hinblick auf die Bereitstellung von Daten … Dies ist erforderlich, um die wohl grundlegendste Frage der heutigen Physik und Kosmologie zu beantworten, nämlich …“ ist, woraus besteht das Universum eigentlich?“