De pas gelanceerde Europese telescoop zal peilen naar donkere energie en donkere materie. Daarmee is Euclid een schot voor de boeg voor antwoorden op de grootste mysteries van het universum.
Openingsbeeld: Artiestimpressie van Euclid in de ruimte © ESA
Het heelal dijt te snel uit. Of gaat het te traag? Of misschien is de uitdijing vooral een gestaag, omineus voorthobbelen richting een verafgelegen niets. Kosmologen worstelen al generaties lang met deze uiteenlopende mogelijkheden. Nu liggen de antwoorden misschien eindelijk in het verschiet.
We weten dat het heelal uitdijt. En dankzij onderzoek dat in 2011 met de Nobelprijs voor Fysica werd bekroond, weten we ook dat een mysterieuze ‘donkere energie’ die uitdijing lijkt te versnellen. ‘We hadden iets nodig om die expansie mee te verklaren’, zegt astrofysica Mathilde Jauzac (Durham University, Engeland).
Tot op heden kan niemand bewijzen dat donkere materie en donkere energie daadwerkelijk bestaan
Donkere energie en donkere materie zouden samen instaan voor 95 procent van de totale massa en energie van het heelal. Maar dat terrein van het heelal omvat nog vele onopgehelderde mysteries. Tot vandaag kan niemand bewijzen dat die twee krachten daadwerkelijk bestaan.
Maar nu stuurt het Europese Ruimteagentschap ESA een nieuwe telescoop de ruimte in. Euclid moet dieper dan ooit doordringen tot dat troebele niets. Kosmologen hopen dat de telescoop ons een beter inzicht geeft in de context waartegen de kosmos is ontstaan – en in welk lot ons allen te wachten staat.
Dan toch groen licht
Op 1 juli schoot een Falcon 9-raket van SpaceX vanuit Florida de lucht in, met de Euclid als vracht. De telescoop had eigenlijk vorig jaar al moeten vertrekken met een Russische Sojoez-raket, maar door de Russische inval in Oekraïne zag ESA af van de samenwerking met Rusland. ‘We zaten compleet vast’, zegt Euclid-projectmanager Giuseppe Racca (ESA). Door vertragingen kon ESA ook geen gebruik maken van de nieuwe Europese raket Ariane 6.
De organisatie zag zich gedwongen om SpaceX in te schakelen. Voordat de lancering kon doorgaan moest ESA de telescoop ombouwen, zodat hij kon meeliften met de Falcon 9-raket. Kosmologen waren dolgelukkig toen er ten langen leste toch groen licht kwam voor een lancering.
Sinds de lancering afgelopen weekend is de Euclid onderweg naar lagrangepunt L2, een punt dat vanaf de zon gezien 1,5 miljoen kilometer achter de aarde ligt en waar de James Webb-telescoop zich ook bevindt. Vandaaruit zal Euclid een zes jaar lange missie aanvatten waarin de telescoop een derde van de hemel bestudeert. Hij zal liefst 10 miljard sterrenstelsels in beeld brengen en 10 miljard jaar terugblikken in de 13,8 miljard jaar oude geschiedenis van het universum.
Dankzij het brede gezichtsveld van Euclid zal de telescoop na twee dagen al een grotere portie van het heelal hebben geobserveerd dan de Hubble-ruimtetelescoop sinds haar lancering dertig jaar geleden.
Saaie constante
Om de sterrenstelsels in beeld te brengen, zal Euclid waarnemingen verrichten in zichtbaar licht en bijna-infraroodlicht. En met spectroscopie kan de telescoop zo’n 30 miljoen van die sterrenstelsels zeer precies dateren. Doel van de missie is om die sterrenstelsels op een kaart weer te geven en daarbij ook hun vormen en afmetingen vast te leggen.
Dat is minder vanzelfsprekend dan je zou verwachten, aangezien het licht dat ze afgeven door donkere materie vervormd kan raken. ‘We zullen de vervormingen door donkere materie meten’, zegt René Laureijs, die als projectwetenschapper verbonden is aan de missie. ‘Zo krijgen we een idee van hoe de donkere materie verdeeld is.’
Naast die eerste zal Euclid nog een tweede kaart aanleggen, met daarop de driedimensionale verdeling van sterrenstelsels doorheen het heelal. ‘Die kaart moet ons vertellen hoe bepaalde structuren geëvolueerd zijn – van 10 miljard jaar geleden tot nu’, zegt Laureijs. Die structuurveranderingen moeten een preciezer beeld schetsen van de uitdijing van het heelal – wat dan weer inzicht kan verschaffen in de aard van donkere energie.
Al in 1917 deed Albert Einstein via zijn algemene relativiteitstheorie een poging om donkere energie te definiëren. Om te voorkomen dat het heelal volgens zijn vergelijkingen ineen zou storten, loodste hij een – in zijn eigen woorden – klungelige oplossing binnen. Een ‘kosmologische constante’ moest tegenwicht bieden aan de effecten van de zwaartekracht en garanderen dat het heelal statisch zou zijn. ‘Einstein voelde er zich bepaald ongemakkelijk bij’, weet astrofysicus Ofer Lahav (University College in Londen). Zelf zou hij de kosmologische constante zijn grootste blunder noemen.
Een eeuw later lijkt die blunder uit te draaien op een bizar vooruitziende voorspelling van donkere energie. De exacte waarde, genoteerd als w, blijft een open vraag. Het eenvoudigste model gaat uit van w = -1, wat betekent dat het heelal tot in het oneindige blijft uitdijen aan een gestaag versnellend tempo. Maar als de eigenlijke waarde lichtjes afwijkt van -1, kan dat wijzen op een heelal dat exponentieel versnelt tot het uiteindelijk uiteenscheurt. Of op een uitdijend heelal dat na verloop van tijd vertraagt en ineenstort.
‘Als w gelijkstaat aan -1, dan kunnen we besluiten dat donkere energie een saaie constante is’, zegt Brits kosmoloog Cora Uhlemann (Newcastle University). Maar misschien komen we met Euclid tot een andere vaststelling en moeten we besluiten dat de waarde van w schommelt. ‘We moeten die waarde echt kunnen vastleggen’, zegt Lahav. ‘Ze is fundamenteel voor ons begrip van fysica.’
Op die noodzaak wijst ook de hubbleconstante, een parameter voor hoe snel het heelal lijkt uit te dijen. In het zogeheten lokale heelal dat ons vandaag omringt, zou de hubbleconstante zo’n 73 kilometer per seconde per megaparsec (of: per 3,26 miljoen lichtjaar) bedragen. Maar in het verre heelal lijkt de snelheid waarmee het heelal uitdijt lager te liggen, op zo’n 67 km/s per megaparsec. Die ‘hubblespanning’ maakt de kern uit van een van de meest actieve domeinen in de kosmologie. Een missie als Euclid kan daarin van betekenis zijn.
Transformatie
Euclid zal zich niet alleen op donkere energie en donkere materie toeleggen. Wanneer de telescoop in het verleden van het heelal tuurt, zal hij het gas van bepaalde sterrenstelsels aan een nadere blik onderwerpen. ‘We willen onder meer begrijpen hoeveel sterren zich momenteel aan het vormen zijn’, zegt Ranga-Ram Chary (California Institute of Technology), die het project naar die stervorming leidt.
‘Er is geen andere telescoop als deze’
De telescoop zou ook de toekomstige Nancy Grace Roman-ruimtetelescoop kunnen assisteren wanneer die straks exoplaneten gaat observeren. Euclid zou dan bijkomstige waarnemingen kunnen doen van sterren in onze Melkweg en kijken of hij daarbij zwaartekracht kan ontwaren van exoplaneten – of zelfs van manen rond die planeten. Zulke gegevens zouden de resultaten die Roman vergaart sterk kunnen verbeteren.
Maar prioriteit nummer één blijft natuurlijk het donkere universum. Decennialang hebben astronomen zich afgevraagd hoe de kosmos is gaan groeien, hoe hij vorm kreeg en wat zijn ultieme lot wordt. Met Euclid komen we dichter dan ooit bij antwoorden. ‘Er is geen andere telescoop als deze’, zegt Jauzac. ‘Hij zal ons beeld van het heelal compleet transformeren.’
