Den 1 juli 2023 lanserades Euclid, ett unikt europeiskt rymdteleskop från Cape Canaveral. Uppskjutningen var utan tvekan höjdpunkten i min karriär som astronom, men att bevittna resultatet av åratal av arbete på en raket är inte för svaga hjärtan. Efter en perfekt uppskjutning anlände Euclid snabbt till sin planerade omloppsbana, cirka 1,5 miljoner km bort från jorden. Från denna avlägsna utsiktspunkt har den börjat skicka tillbaka skarpa bilder som kommer att täcka nästan en tredjedel av himlen i slutet av detta decennium.
Euklid är nästa stora steg framåt i vår strävan att försöka förstå universum. Under det senaste århundradet har vi gjort enorma framsteg. Vi har lärt oss att fusionen av väte till helium driver stjärnor som vår sol, medan de flesta av atomerna i våra kroppar smiddes i kärnorna av stjärnor som sedan dess har exploderat. Vi upptäckte att galaxen är en av många galaxer som spårar enorma skumliknande strukturer som genomsyrar kosmos. Vi vet nu att universum började för cirka 13,6 miljarder år sedan med en "Big Bang" och har expanderat sedan dess.
Det är stora framgångar, men när vi lärde oss mer blev det också tydligt att det är mycket vi inte förstår. Till exempel tros det mesta av massan vara "mörk materia", en ny form av materia som inte förklaras av den annars mycket framgångsrika standardmodellen för partikelfysik. Tyngdkraften av all denna materia borde bromsa universums expansion, men för ungefär 25 år sedan upptäckte vi att den faktiskt accelererar. Detta kräver en ännu mer mystisk komponent. För att återspegla vår okunnighet – hittills finns det ingen bra fysisk förklaring – vi hänvisar till det som "mörk energi". Tillsammans utgör mörk materia och mörk energi 95 % av universum, men vi förstår inte deras natur.
Vad vi vet är att båda mörka komponenterna påverkar hur stora strukturer kan bildas. Tyngdkraften från mörk materia hjälper till att dra ihop materia till galaxer eller till och med större objekt. Däremot trycker mörk energi isär saker och motverkar på så sätt effektivt gravitationskraften. Balansen mellan de två utvecklas när universum expanderar, med mörk energi som blir allt mer dominerande. Detaljerna beror på de mörka komponenternas karaktär och jämförelse med observationer gör att vi kan skilja mellan olika teorier. Detta är huvudorsaken till att Euclid lanserades. Den kommer att kartlägga hur ärendet är fördelat och hur detta utvecklats över tiden. Dessa mätningar kan ge den välbehövliga vägledningen som kommer att leda till en bättre förståelse av universums mörka sida.
Men hur kan vi studera materiens fördelning, om det mesta är osynlig mörk materia? Lyckligtvis har naturen gett en bekväm väg framåt:Einsteins allmänna relativitetsteori säger oss att materia kröker utrymmet runt den. Klumpar av mörk materia avslöjar sin närvaro genom att förvränga formerna på mer avlägsna galaxer, precis som vågor på ytan av en pool förvränger mönstret av plattor på botten.
Med tanke på likheten med vanliga optiska linser - fysiken är annorlunda, men matematiken är densamma - kallas böjningen av ljusstrålar av materia som gravitationslinser. I sällsynta fall är böjningen så stark att flera bilder av samma galax kan observeras. Men för det mesta är effekten mer subtil, den ändrar aldrig formerna på avlägsna galaxer. Icke desto mindre, om vi gör ett genomsnitt av mätningar för ett stort antal galaxer, kan vi avslöja mönster i deras orienteringar som har präglats av den mellanliggande distributionen av materia, både regelbunden och mörk.
Denna signal med "svag lins" är kanske inte så spektakulär, men den ger oss ett direkt sätt att kartlägga fördelningen av materia i universum, särskilt när den kombineras med avstånden till galaxerna för vilka formerna mättes. Potentialen med denna teknik upptäcktes i början av nittiotalet, men det var också klart att mätningarna skulle bli utmanande. Turbulens i atmosfären suddar ut vår syn på de svaga, små, avlägsna galaxer som vi vill använda, medan ofullkomligheter i teleskopoptiken oundvikligen förändrar galaxernas observerade former. Därför var det astronomiska samfundet skeptiskt till den tekniska genomförbarheten. Så här var situationen när jag började min doktorsexamen. 1995, när jag gav mig ut på en resa för att bevisa att de hade fel.
Genom åren, med hjälp av allt större datamängder som samlats in med markbaserade teleskop, upptäckte och löste vi nya problem. Med utgångspunkt i observationer från rymdteleskopet Hubble som lanserades 1990, hade mitt examensarbete redan visat att delvis mäta former är mycket lättare från rymden. Men fram till Euklids ankomst kunde rymdteleskop bara observera små fläckar av himlen:James Webb Space Telescope (JWST), som lanserades 2021, ser motsvarigheten till ett sandkorn på armlängds avstånd. Men för att verkligen testa mörk energis natur måste vi täcka 6 miljoner gånger mer yta. Det är detta som ledde fram till Euclid, ett unikt teleskop, designat för att ge skarpa bilder för 1,5 miljarder galaxer, samt avståndsinformation till dessa. Som figur 2 visar, i ett enda skott observerar vi ett område som är större än fullmånen.
Dessa data kompletteras med exakta avstånd för cirka 25 miljoner galaxer för att kartlägga fördelningen av avlägsna galaxer i detalj.
När jag började min resa in i detta forskningsfält hade mörk energi inte upptäckts, medan få trodde att svag linsering skulle vara ett viktigt verktyg för att studera materiens fördelning. Hur saker och ting har förändrats. Lanseringen av Euclid är utan tvekan den mest spektakulära demonstrationen av detta. Sedan 2011 – när projektet fortfarande övervägdes av European Space Agency (ESA) som en del av dess Cosmic Vision-program – har jag varit en av Euclids kosmologikoordinatorer. Det betyder att jag var ansvarig för att fastställa de viktigaste egenskaperna för uppdraget, särskilt de som hänför sig till svag gravitationslinsning. Detta inkluderade att specificera hur skarpa bilderna ska vara och hur väl vi behöver mäta galaxernas former. Arbetet involverade också frekventa interaktioner med Europeiska rymdorganisationen (ESA) för att klargöra de vetenskapliga målen och för att ta reda på hur man hanterar nya insikter.
Tack vare hårt arbete av ett stort team av ingenjörer och forskare lyckades vi övervinna de många tekniska hindren. Vi fortsatte vårt samarbete genom en pandemi, bara för att förlora vår avsedda raket på grund av den ryska invasionen av Ukraina – Euklid var planerad att skjuta upp på en Sojus-raket. Anmärkningsvärt nog hittade ESA snabbt en lösning:en uppskjutning på en Falcon 9 från SpaceX. Som ett resultat befann jag mig i Florida för att bevittna vad som utan tvekan var kulmen på all min forskning hittills.
Det har varit en bergochdalbana sedan dess. De första bilderna som togs i juli var bullrigare än väntat, på grund av solljus som sipprade in i kameran. Detta skulle ha varit ett allvarligt problem, men den mest sannolika boven - en utskjutande propeller som reflekterade solljus på baksidan av solskyddet - identifierades snabbt, liksom lösningen. Genom att vrida rymdfarkosten en aning, kunde propellern placeras i skuggan av satelliten. Detta innebar dock en total översyn av planeringen av undersökningen.
Problemen slutade inte där. Strålning från solen driver hela tiden runt Euklid en bit, vilket kompenseras med hjälp av dragkrafter som håller teleskopet helt stabilt. Först då kan vi ta de skarpa bilder vi behöver. Men energirika partiklar från solen störde stabiliseringssystemet, vilket fick teleskopet att skaka lite. Detta löstes med en mjukvaruuppdatering. Senast skapade isuppbyggnaden inuti teleskopet oro, men det problemet löstes också framgångsrikt.
För att ge världen en känsla av dess potential, utfärdades några "tidiga observationer" av fotogena föremål i november. Den som ligger närmast min forskning är den om galaxhopen Perseus (Figur 1). Förutom de stora gulaktiga galaxerna, som är en del av denna massiva klump av materia, ger Euklid detaljerade bilder av ytterligare 50 000 galaxer. Denna detaljnivå är vad jag behöver för min forskning, men än så länge har jag bara 800 av 25 000 sådana bilder! Detta har börjat:den 15 februari 2024 startade Euclid sin huvudundersökning och under de kommande 2200 dagarna kommer den att fortsätta fotografera himlen. Denna enorma mängd data kommer att vara en skattkammare för astronomer – och hela världen – i många år framöver. Till exempel kan vi studera strukturen i hundratals närliggande galaxer i detalj, som IC 342 (Figur 3). Dessa bilder är bara en teaser på vad framtiden kommer att föra med sig.
Tillhandahålls av The Conversation
Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln. 
