Euclides is de volgende grote stap voorwaarts in onze zoektocht om het universum te begrijpen. De afgelopen eeuw hebben we enorme vooruitgang geboekt. We hebben geleerd dat de fusie van waterstof tot helium sterren als onze zon aandrijft, terwijl de meeste atomen in ons lichaam zijn gesmeed in de kernen van sterren die sindsdien zijn geëxplodeerd. We ontdekten dat het sterrenstelsel een van de vele sterrenstelsels is met enorme schuimachtige structuren die de kosmos doordringen. We weten nu dat het heelal ongeveer 13,6 miljard jaar geleden begon met een ‘oerknal’ en sindsdien steeds verder uitdijt.

De zwarte doos van het universum onderzoeken

Dit zijn belangrijke prestaties, maar naarmate we meer leerden, werd het ook duidelijk dat er veel is dat we niet begrijpen. Er wordt bijvoorbeeld aangenomen dat het grootste deel van de massa 'donkere materie' is, een nieuwe vorm van materie die niet wordt verklaard door het overigens zeer succesvolle standaardmodel van de deeltjesfysica. De zwaartekracht van al deze materie zou de uitdijing van het heelal moeten vertragen, maar zo'n 25 jaar geleden ontdekten we dat de uitdijing juist aan het versnellen is. Dit vereist een nog mysterieuzer onderdeel. Om onze onwetendheid te weerspiegelen – tot op heden bestaat er geen goede fysieke verklaring – noemen we het ‘donkere energie’. Gecombineerd vormen donkere materie en donkere energie 95% van het universum, maar we begrijpen hun aard niet.

Wat we wel weten is dat beide donkere componenten invloed hebben op hoe grote structuren zich kunnen vormen. De zwaartekracht van donkere materie helpt materie samen te trekken tot sterrenstelsels of zelfs grotere objecten. Donkere energie daarentegen duwt dingen uit elkaar, waardoor de zwaartekracht effectief wordt tegengegaan. Het evenwicht tussen de twee evolueert naarmate het universum uitdijt, waarbij donkere energie steeds dominanter wordt. De details zijn afhankelijk van de aard van de donkere componenten, en vergelijking met waarnemingen stelt ons in staat onderscheid te maken tussen verschillende theorieën. Dit is de belangrijkste reden waarom Euclid werd gelanceerd. Het zal in kaart brengen hoe de materie verdeeld is, en hoe dit zich in de loop van de tijd heeft ontwikkeld. Deze metingen kunnen de broodnodige begeleiding bieden die zal leiden tot een beter begrip van de donkere kant van het universum.

Maar hoe kunnen we de verdeling van materie bestuderen, als het grootste deel onzichtbare donkere materie is? Gelukkig heeft de natuur voor een gemakkelijke weg vooruit gezorgd:Einsteins algemene relativiteitstheorie vertelt ons dat materie de ruimte eromheen kromt. Klompen donkere materie onthullen hun aanwezigheid door de vormen van verder weg gelegen sterrenstelsels te vervormen, net zoals golven op het oppervlak van een zwembad het patroon van tegels op de bodem vervormen.

Zwaartekrachtlenzen en zijn aanwijzingen

Gezien de gelijkenis met gewone optische lenzen – de fysica is anders, maar de wiskunde is hetzelfde – wordt het buigen van lichtstralen door materie zwaartekrachtlenzen genoemd. In zeldzame gevallen is de buiging zo sterk dat meerdere afbeeldingen van hetzelfde sterrenstelsel kunnen worden waargenomen. Meestal is het effect echter subtieler, waardoor de vorm van verre sterrenstelsels enigszins verandert. Niettemin kunnen we, als we het gemiddelde nemen van metingen voor grote aantallen sterrenstelsels, patronen in hun oriëntaties ontdekken die zijn ingeprent door de tussenliggende verdeling van materie, zowel regulier als donker.

Dit ‘zwakke lenssignaal’ is misschien niet zo spectaculair, maar het biedt ons wel een directe manier om de verdeling van materie in het universum in kaart te brengen, vooral in combinatie met afstanden tot de sterrenstelsels waarvoor de vormen zijn gemeten. Het potentieel van deze techniek werd begin jaren negentig onderkend, maar het was ook duidelijk dat de metingen een uitdaging zouden zijn. Turbulentie in de atmosfeer vertroebelt ons zicht op de zwakke, kleine, verre sterrenstelsels die we willen gebruiken, terwijl onvolkomenheden in de telescoopoptiek onvermijdelijk de waargenomen vormen van sterrenstelsels veranderen. Daarom was de astronomische gemeenschap sceptisch over de technische haalbaarheid. Dit was de situatie toen ik aan mijn Ph.D. in 1995, toen ik aan een reis begon om te bewijzen dat ze ongelijk hadden.

Door de jaren heen hebben we, met behulp van steeds grotere datasets verzameld met telescopen op de grond, nieuwe problemen ontdekt en opgelost. Op basis van waarnemingen met de Hubble-ruimtetelescoop die in 1990 werd gelanceerd, had mijn afstudeerwerk al aangetoond dat het gedeeltelijk meten van vormen vanuit de ruimte veel gemakkelijker is. Tot de komst van Euclides konden ruimtetelescopen echter slechts kleine stukjes hemel waarnemen:de James Webb Space Telescope (JWST), gelanceerd in 2021, ziet het equivalent van een zandkorrel op armlengte. Om de aard van donkere energie echt te testen, moeten we echter een 6 miljoen keer groter gebied bestrijken. Dit heeft geleid tot Euclid, een unieke telescoop, ontworpen om scherpe beelden te leveren van 1,5 miljard sterrenstelsels, evenals informatie over de afstand daartoe. Zoals figuur 2 laat zien, nemen we in één opname een gebied waar dat groter is dan de volle maan.

Deze gegevens worden aangevuld met nauwkeurige afstanden van ongeveer 25 miljoen sterrenstelsels, zodat de verspreiding van verre sterrenstelsels zeer gedetailleerd in kaart kan worden gebracht.

Kosmologiecoördinator voor Euclides

Toen ik aan mijn reis op dit onderzoeksgebied begon, was donkere energie nog niet ontdekt, terwijl weinigen geloofden dat zwakke lenswerking een belangrijk hulpmiddel zou zijn om de verdeling van materie te bestuderen. Hoe de dingen zijn veranderd. De lancering van Euclides is misschien wel de meest spectaculaire demonstratie hiervan. Sinds 2011 – toen het project nog door de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA) werd overwogen als onderdeel van het Cosmic Vision-programma – ben ik een van de kosmologiecoördinatoren van Euclides. Dit betekent dat ik verantwoordelijk was voor het vaststellen van de belangrijkste kenmerken van de missie, in het bijzonder die met betrekking tot zwakke zwaartekrachtlenzen. Dit omvatte onder meer het specificeren hoe scherp de beelden moesten zijn en hoe goed we de vormen van sterrenstelsels moeten meten. Het werk omvatte ook frequente interacties met de European Space Agency (ESA) om de wetenschappelijke doelstellingen te verduidelijken en uit te vinden hoe met nieuwe inzichten om te gaan.

Dankzij het harde werk van een groot team van ingenieurs en wetenschappers zijn we erin geslaagd de vele technische hindernissen te overwinnen. We hebben onze samenwerking tijdens een pandemie voortgezet, maar zijn onze beoogde raket kwijtgeraakt vanwege de Russische invasie van Oekraïne – het was de bedoeling dat Euclides met een Sojoez-raket zou worden gelanceerd. Opmerkelijk genoeg vond ESA snel een oplossing:een lancering op een Falcon 9 door SpaceX. Als gevolg hiervan bevond ik mij in Florida om getuige te zijn van wat misschien wel het hoogtepunt was van al mijn onderzoek tot nu toe.

De hindernisbaan van Euclides

Sindsdien is het een achtbaanrit geweest. De eerste foto's die in juli werden gemaakt, waren luidruchtiger dan verwacht, vanwege zonlicht dat in de camera sijpelde. Dit zou een serieus probleem zijn geweest, maar de meest waarschijnlijke boosdoener – een uitstekende boegschroef die zonlicht weerkaatste op de achterkant van de zonnekap – werd snel geïdentificeerd, evenals de oplossing. Door het ruimtevaartuig een klein beetje te draaien, kon de boegschroef in de schaduw van de satelliet worden geplaatst. Dit betekende echter een volledige herziening van de planning van het onderzoek.

De problemen hielden daar niet op. De straling van de zon duwt Euclides voortdurend een beetje rond, wat wordt gecompenseerd door stuwraketten die de telescoop volledig stabiel houden. Alleen dan kunnen we de scherpe foto's maken die we nodig hebben. Energetische deeltjes van de zon verstoorden echter het stabilisatiesysteem, waardoor de telescoop een beetje begon te trillen. Dit werd opgelost met een software-update. Onlangs baarde de ijsophoping in de telescoop zorgen, maar ook dat probleem werd met succes aangepakt.

Om de wereld een idee te geven van het potentieel ervan, werden in november enkele ‘early release observations’ van fotogenieke objecten gepubliceerd. Het sterrenstelsel dat het dichtst bij mijn onderzoek ligt, is dat van de Perseus-cluster van sterrenstelsels (Figuur 1). Naast de grote geelachtige sterrenstelsels, die deel uitmaken van deze enorme klomp materie, biedt Euclides gedetailleerde beelden van nog eens 50.000 sterrenstelsels. Dit detailniveau is wat ik nodig heb voor mijn onderzoek, maar tot nu toe heb ik slechts 800 van de 25.000 van dergelijke afbeeldingen! Dit is begonnen:op 15 februari 2024 begon Euclides met zijn hoofdonderzoek en de komende 2200 dagen zal hij de lucht blijven fotograferen. Deze enorme hoeveelheid gegevens zal de komende jaren een schatkamer zijn voor astronomen – en de hele wereld. We kunnen bijvoorbeeld de structuur van honderden nabijgelegen sterrenstelsels, zoals IC 342, in detail bestuderen (Figuur 3). Deze beelden zijn slechts een voorproefje van wat de toekomst zal brengen.

Aangeboden door The Conversation

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.