Zbudujemy teleskop do szukania duchów. Ma rozwiązać zagadkę Wszechświata

Europejska Agencja Kosmiczna przyjęła do realizacji misję Arrakihs, czyli kosmiczny teleskop zaprojektowany do szukania jednych z najtrudniejszych do uchwycenia struktur we Wszechświecie. Nie chodzi o duchy niczym z horroru, ale o coś równie ulotnego, a mianowicie o słabe, rozmyte halo galaktyk i strumienie gwiazd, które są pozostałościami po dawno rozerwanych mniejszych galaktykach.

Słabe halo i strumienie gwiazd są jednym z niewielu sposobów sprawdzania, jak w praktyce zachowuje się ciemna materia. Dane zebrane przez Arrakihs pozwolą porównać obserwacje z przewidywaniami obecnych modeli kosmologicznych. Jeśli pojawią się istotne rozbieżności, może to oznaczać konieczność skorygowania części założeń dotyczących budowy i ewolucji Wszechświata.

Kiedy wyobrażamy sobie galaktykę, zwykle widzimy jasny dysk pełen gwiazd, pyłu i gazu. Tak wygląda Droga Mleczna na ilustracjach i tak prezentują się najładniejsze zdjęcia galaktyk spiralnych. Tymczasem najważniejsze informacje o budowie i ewolucji galaktyk znajdują się często poza ich jasnymi obszarami, w rozległych i bardzo słabo świecących halo.

Galaktyki są otoczone ogromnymi halo, czyli rozległymi obszarami, w których dominuje ciemna materia. To ona działa jak grawitacyjny klej, bez którego galaktyki nie zachowywałyby się tak, jak obserwujemy. W halo znajdują się też zwykłe gwiazdy i gaz, ale świecą tak słabo, że bardzo trudno je badać klasycznymi przeglądami nieba.

Arrakihs ma się skupić właśnie na tym słabo widocznym fragmencie kosmosu. Będzie obserwował struktury tak rozproszone i blade, że łatwo znikają w tle nieba, poświacie światła zodiakalnego, szumach instrumentów czy niedoskonałościach obróbki danych.

Najcenniejsze będą strumienie gwiazd. To długie, cienkie, bardzo słabe pasma, które powstają, gdy większa galaktyka rozrywa mniejszą siłą grawitacji. Gwiazdy z takiej małej galaktyki nie znikają od razu. Zostają rozwleczone po orbicie, tworząc coś w rodzaju kosmicznej smugi.

Takie smugi są właśnie galaktycznymi duchami. To resztki dawnych zderzeń, pochłonięć i spotkań, które budowały większe galaktyki przez miliardy lat. Wokół Drogi Mlecznej znamy już takie ślady dzięki misji Gaia i innym przeglądom. Problem polega na tym, że jedna galaktyka to za mało, żeby sprawdzić, czy nasze modele działają ogólnie.

Arrakihs ma obserwować co najmniej 80 pobliskich galaktyk o masie podobnej do Drogi Mlecznej. Dzięki temu naukowcy nie będą już pytać tylko, czy nasza Galaktyka ma dziwną historię. Będą mogli sprawdzić, jak wygląda typowa historia galaktyk podobnych do naszej.

Ciemna materia pozostaje niewidzialna dla teleskopów, bo nie świeci, nie odbija światła i nie go nie pochłania. Widzimy ją po grawitacji. To trochę jak z wiatrem: nie widzimy samego powietrza, ale widzimy, jak porusza liście i fale. W kosmosie liśćmi są gwiazdy, galaktyki i ich ruch.

Strumienie gwiazd są wyjątkowo czułymi wskaźnikami grawitacji. Ich kształt, zakrzywienie, długość i rozproszenie zależą od tego, jak wygląda niewidzialne halo ciemnej materii wokół galaktyki. Jeśli halo jest bardziej kuliste, spłaszczone, poszarpane albo pełne niewidocznych podstruktur, strumienie mogą zachowywać się inaczej.

Właśnie dlatego Arrakihs pomoże badać ciemną materię, choć sam jej nie zobaczy. Nie będzie szukał tajemniczych cząstek w podziemnych laboratoriach. Zamiast tego przyjrzy się gwiazdom i sprawdzi, jak poruszają się pod wpływem niewidzialnej masy otaczającej galaktyki.

Obecnie najważniejszy model kosmologiczny to Lambda-CDM. Lambda oznacza ciemną energię, czyli składnik odpowiadający za przyspieszanie ekspansji Wszechświata. CDM to cold dark matter, czyli zimna ciemna materia. Zimna nie oznacza tu temperatury w codziennym sensie, ale to, że jej cząstki w młodym Wszechświecie poruszały się stosunkowo wolno i mogły budować struktury od małych do wielkich.

Model ten bardzo dobrze opisuje Wszechświat w dużej skali. Problem zaczyna się przy mniejszych strukturach: galaktykach karłowatych, ich rozmieszczeniu i subtelnych śladach w halo galaktyk. Symulacje przewidują dużo takich drobnych struktur, ale obserwacje nie zawsze pokazują dokładnie to, czego oczekujemy.

Arrakihs ma pomóc rozstrzygnąć ten spór na podstawie dużej próbki obserwacji. Jeśli wokół galaktyk podobnych do Drogi Mlecznej znajdzie wiele strumieni gwiazd, rozległe halo i ślady dawnych zderzeń zgodne z przewidywaniami, będzie to mocny argument na korzyść modelu Lambda-CDM. Jeśli jednak takich struktur okaże się mniej, niż oczekujemy, albo będą wyglądały inaczej, naukowcy będą musieli poważnie zastanowić się, czy nasze wyobrażenie o ciemnej materii jest kompletne.

Arrakihs jest drugą misją klasy Fast w programie naukowym ESA. To oznacza krótszy harmonogram i niższy koszt niż w przypadku największych europejskich misji kosmicznych. Planowany start ma nastąpić pod koniec 2030 r., a nominalna praca naukowa potrwa 3 lata, z możliwością przedłużenia o kolejne 2 lata.

Nie będzie to kosmiczny gigant w stylu JWST. Instrument ma składać się z dwóch teleskopów lornetkowych, czyli łącznie 4 kamer pracujących w różnych pasmach: od bliskiego ultrafioletu, przez światło widzialne, po bliską podczerwień. Dzięki temu naukowcy będą mogli rozdzielać różne populacje gwiazd i lepiej rozumieć, z czego składają się bardzo słabe struktury wokół galaktyk.

Przeczytaj także:

Najważniejsze będzie osiągnięcie ekstremalnej czułości na słabe światło. Misja ma sięgnąć do poziomu około 31,5 magnitudo na sekundę łuku kwadratową w pasmach widzialnych. To bardzo techniczna jednostka, ale sens jest prosty: chodzi o struktury tak blade, że obecne szerokie przeglądy nie są w stanie zobaczyć ich wystarczająco dobrze.

*Źródło zdjęcia wprowadzającego: ESA