science >> Wetenschap >  >> Astronomie

NASA's WFIRST zal helpen het lot van het universum te ontdekken

Een artistieke weergave van NASA's Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), die meerdere kosmische fenomenen zal bestuderen, inclusief donkere energie. Krediet:NASA's Goddard Space Flight Center

Wetenschappers hebben ontdekt dat een mysterieuze druk die "donkere energie" wordt genoemd, ongeveer 68% uitmaakt van de totale energie-inhoud van de kosmos, maar tot nu toe weten we er niet veel meer van. Het onderzoeken van de aard van donkere energie is een van de belangrijkste redenen waarom NASA de Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) bouwt, een ruimtetelescoop waarvan de metingen de puzzel met donkere energie helpen verlichten. Met een beter begrip van donkere energie, we zullen een beter beeld hebben van de vroegere en toekomstige evolutie van het universum.

Een uitdijende kosmos

Tot de 20e eeuw, de meeste mensen geloofden dat het universum statisch was, in wezen onveranderd blijven tot in de eeuwigheid. Toen Einstein in 1915 zijn algemene relativiteitstheorie ontwikkelde, beschrijven hoe de zwaartekracht werkt over het weefsel van ruimte-tijd, hij was verbaasd toen hij ontdekte dat de theorie aangaf dat de kosmos moet uitzetten of inkrimpen. Hij bracht veranderingen aan om een ​​statisch universum te behouden, iets toe te voegen dat hij de "kosmologische constante, " ook al was er geen bewijs dat het echt bestond. Deze mysterieuze kracht moest de zwaartekracht tegengaan om alles op zijn plaats te houden.

Echter, toen de jaren twintig ten einde liepen, astronoom Georges Lemaitre, en dan Edwin Hubble, deed de verrassende ontdekking dat, op enkele uitzonderingen na, sterrenstelsels racen van elkaar weg. Het universum was verre van statisch - het vloog naar buiten. Bijgevolg, als we ons voorstellen deze uitbreiding terug te draaien, er moet een tijd zijn geweest dat alles in het universum bijna onmogelijk heet en dicht bij elkaar was.

Wetenschappers hebben ontdekt dat een mysterieuze druk die 'donkere energie' wordt genoemd, ongeveer 68 procent uitmaakt van de totale energie-inhoud van de kosmos, maar tot nu toe weten we er niet veel meer van. Het onderzoeken van de aard van donkere energie is een van de belangrijkste redenen waarom NASA de Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) bouwt, een ruimtetelescoop waarvan de metingen de puzzel met donkere energie helpen verlichten. Met een beter begrip van donkere energie, we zullen een beter beeld hebben van de vroegere en toekomstige evolutie van het universum.

Het einde van het heelal:vuur of ijs?

De oerknaltheorie beschrijft de uitdijing en evolutie van het heelal vanaf deze eerste superhete, superdichte staat. Wetenschappers theoretiseerden dat de zwaartekracht deze expansie uiteindelijk zou vertragen en mogelijk zelfs volledig zou omkeren. Als het heelal genoeg materie bevat, de zwaartekracht zou de uitzetting overwinnen, en het universum zou instorten in een vurige "Big Crunch".

Als niet, de uitdijing zou nooit eindigen - sterrenstelsels zouden verder en verder weg groeien totdat ze de rand van het waarneembare heelal passeren. Onze verre afstammelingen hebben misschien geen kennis van het bestaan ​​van andere sterrenstelsels, omdat ze te ver weg zouden zijn om zichtbaar te zijn. Een groot deel van de moderne astronomie zou op een dag kunnen worden gereduceerd tot louter een legende als het universum geleidelijk vervaagt tot een ijzig zwart.

Het heelal breidt zich niet alleen uit - het versnelt

Astronomen hebben de uitdijingssnelheid gemeten door telescopen op de grond te gebruiken om relatief nabije supernova-explosies te bestuderen. Het mysterie escaleerde in 1998 toen Hubble Space Telescope-waarnemingen van verder weg gelegen supernova's hielpen aantonen dat het universum in het verleden eigenlijk langzamer uitdijde dan nu. De uitdijing van het heelal vertraagt ​​niet door de zwaartekracht, zoals iedereen dacht. Het versnelt.

Snel vooruit naar vandaag. Hoewel we nog steeds niet weten wat de versnelling precies veroorzaakt, het heeft een naam gekregen - donkere energie. Deze mysterieuze druk bleef zo ​​lang onontdekt omdat hij zo zwak is dat de zwaartekracht hem overweldigt op de schaal van mensen, planeten en zelfs de melkweg. Het is aanwezig in de kamer bij u terwijl u leest, in je eigen lichaam, maar de zwaartekracht werkt het tegen, zodat je niet uit je stoel vliegt. Alleen op intergalactische schaal wordt donkere energie merkbaar, gedraagt ​​zich als een soort zwakke oppositie tegen de zwaartekracht.

Wat is donkere energie?

Wat is donkere energie precies? Er is meer onbekend dan bekend, maar theoretici jagen op een aantal mogelijke verklaringen. Kosmische versnelling kan worden veroorzaakt door een nieuwe energiecomponent, wat enkele aanpassingen aan Einsteins zwaartekrachtstheorie zou vereisen - misschien de kosmologische constante, die Einstein zijn grootste blunder noemde, is toch echt.

Alternatief, Einsteins zwaartekrachttheorie kan op kosmologische schalen instorten. Als dit de zaak is, de theorie zal moeten worden vervangen door een nieuwe die de kosmische versnelling bevat die we hebben waargenomen. Theoretici weten nog steeds niet wat de juiste verklaring is, maar WFIRST zal ons helpen erachter te komen.

WFIRST zal donkere energie verlichten

Eerdere missies hebben enkele aanwijzingen verzameld, maar tot nu toe hebben ze geen resultaten opgeleverd die de ene verklaring sterk prefereren boven de andere. Met dezelfde resolutie als de camera's van Hubble, maar een gezichtsveld dat 100 keer groter is, WFIRST zal nooit eerder vertoonde grote afbeeldingen van het universum genereren. De nieuwe missie zal de verkenning van het mysterie van de donkere energie bevorderen op manieren die andere telescopen niet kunnen door in kaart te brengen hoe materie is gestructureerd en verdeeld door de kosmos. en ook door het meten van grote aantallen verre supernova's. De resultaten zullen aangeven hoe donkere energie in het universum werkt, en of en hoe het in de kosmische geschiedenis is veranderd.

De missie gaat met drie onderzoeksmethoden op zoek naar een verklaring voor donkere energie. De High Latitude Spectroscopic Survey zal nauwkeurige afstanden en posities van miljoenen sterrenstelsels meten met behulp van een "standaardliniaal" -techniek. Door te meten hoe de verdeling van sterrenstelsels varieert met de afstand, krijgen we een beeld van de evolutie van donkere energie in de loop van de tijd. Deze studie zal de afstanden van de sterrenstelsels verbinden met de echo's van geluidsgolven net na de oerknal en zal de zwaartekrachttheorie van Einstein over de leeftijd van het heelal testen.

De High Latitude Imaging Survey zal de vormen en afstanden van massa's sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels meten. De immense zwaartekracht van massieve objecten vervormt de ruimte-tijd en zorgt ervoor dat verder verwijderde sterrenstelsels vervormd lijken. Door de mate van vervorming te observeren, kunnen wetenschappers de verdeling van massa door de kosmos afleiden. Dit omvat alle materie die we direct kunnen zien, zoals planeten en sterren, evenals donkere materie - nog een duister kosmisch mysterie dat alleen zichtbaar is door zijn zwaartekrachtseffecten op normale materie. Dit onderzoek zal een onafhankelijke meting bieden van de groei van grootschalige structuren in het universum en hoe donkere energie de kosmos heeft beïnvloed.

WFIRST zal ook een onderzoek uitvoeren naar één type exploderende ster, voortbouwend op de waarnemingen die hebben geleid tot de ontdekking van versnelde expansie. Type Ia-supernova's treden op wanneer een witte dwergster explodeert. Type Ia supernova's hebben over het algemeen dezelfde absolute helderheid op hun hoogtepunt, waardoor ze zogenaamde "standaardkaarsen" worden. Dat betekent dat astronomen kunnen bepalen hoe ver ze zich bevinden door te zien hoe helder ze er vanaf de aarde uitzien - en hoe verder ze zijn, de dimmer ze verschijnen. Astronomen zullen ook kijken naar de specifieke golflengten van het licht dat van de supernova's komt om erachter te komen hoe snel de stervende sterren van ons weg bewegen. Door afstanden te combineren met helderheidsmetingen, wetenschappers zullen zien hoe donkere energie in de loop van de tijd is geëvolueerd, het verstrekken van een kruiscontrole met de twee onderzoeken op hoge breedtegraad.

"De WFIRST-missie is uniek in het combineren van deze drie methoden. Het zal leiden tot een zeer robuuste en rijke interpretatie van de effecten van donkere energie en zal ons in staat stellen een definitieve uitspraak te doen over de aard van donkere energie, " zei Olivier Doré, een onderzoekswetenschapper bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, en leider van het team dat de eerste twee onderzoeksmethoden plant met WFIRST.

Ontdekken hoe donkere energie de uitdijing van het universum in het verleden heeft beïnvloed, zal enig licht werpen op hoe dit de uitdijing in de toekomst zal beïnvloeden. Als het de uitdijing van het heelal blijft versnellen, we zijn misschien voorbestemd om een ​​"Big Rip" te ervaren. In dit scenario, donkere energie zou uiteindelijk dominant worden over de fundamentele krachten, waardoor alles wat momenteel met elkaar verbonden is - sterrenstelsels, planeten, mensen - om uit elkaar te vallen. Door donkere energie te onderzoeken, kunnen we onderzoeken, en misschien zelfs voorzien, het lot van het universum.