Door het heelal buiten ons melkwegstelsel af te speuren zal Euclid proberen de mysteries van het kosmische web te ontwarren en misschien verklaren hoe onzichtbare donkere materie en exotische donkere energie de structuur en de evolutie van de kosmos beïnvloeden. Euclid zal zich voornamelijk bezighouden met twee kernthema's van ESA's Cosmic Vision programma: Wat zijn de fundamentele natuurkundige wetten van het heelal? en Hoe is het heelal ontstaan en waar is het van gemaakt?
1. Wat is de structuur en de geschiedenis van het kosmische web?
Materie in het heelal is gerangschikt in een enorm gestructureerd netwerk dat lijkt op een 'kosmisch spinnenweb'. Dit ‘spinnenweb’ bestaat uit enorme clusters van sterrenstelsels die met elkaar zijn verbonden door strengen gas en onzichtbare donkere materie. Daartussen liggen gigantische lege gebieden die kosmische leegtes worden genoemd. Het onderzoeken van het kosmische web is moeilijk omdat het zo groot is, met kosmische leegtes die een doorsnee hebben van honderden miljoenen lichtjaren. Euclid zal meer dan een derde van de hemel uitgebreid onderzoeken om informatie te verzamelen over de vorm, grootte en positie van miljarden sterrenstelsels.
Door diep in de hemel te turen zal Euclid ook terugblikken in de tijd en tien miljard jaar kosmische geschiedenis waarnemen. Dat komt omdat hoe verder een ster van ons af ligt, hoe langer het duurt voordat zijn licht ons bereikt. Door de vorm en de verdeling van een enorm aantal sterrenstelsels nauwkeurig in kaart te brengen, zal Euclid de structuur en de geschiedenis van het kosmische web onthullen. Hoewel donkere materie voor ons onzichtbaar is, vervormt de aanwezigheid ervan het licht van veraf gelegen sterrenstelsels. Dit effect heet zwaartekrachtlenzen en kan door Euclid worden waargenomen, waardoor aan het licht wordt gebracht hoe de donkere materie over het heelal is verdeeld.
2. Wat is de aard van donkere materie?
We weten ondanks tientallen jaren onderzoek nog steeds niet waaruit de ontbrekende massa, de zogenoemde donkere materie, in het heelal bestaat. De onderlinge vergelijking van verschillende kosmologische modellen met metingen hebben tot nu toe tot de hypothese geleid dat het grootste deel van de donkere materie bestaat uit 'koude' deeltjes, wat betekent dat ze zwaar zijn en relatief langzaam bewegen. Het is echter goed mogelijk dat sommige donkere materie bestaat uit lichte deeltjes die zich met een snelheid die dicht tegen de lichtsnelheid aanligt bewegen, de zogenaamde 'hete' donkere materie. Het blijft de vraag hoeveel, als dat al het geval is, van de donkere materie heet is. Hete donkere materie zou kunnen bestaan uit ‘spookdeeltjes’, neutrino's genaamd, die slechts een zeer zwakke interactie hebben met andere materie. Hoewel aanvankelijk werd voorspeld dat neutrino's massaloos zouden zijn, zijn er nu aanwijzingen dat ze toch een zeer kleine massa zouden hebben.
We kunnen Euclid's nauwkeurige metingen van de kosmische structuur gebruiken om de totale massa van neutrino's in ons heelal te achterhalen en aan de hand daarvan ook welk percentage van de donkere materie ze kunnen uitmaken. Ondanks hun zwaartekrachtsveld hebben neutrino's door hun snelle beweging de neiging om structuurvorming te vertragen en deze te vervagen. De spannendste ontdekking zou iets zijn wat we niet verwachten. Euclid's ongeëvenaarde waarnemingen van het extragalactische heelal zouden het bestaan van nieuwe, snel bewegende deeltjes-soorten aan het licht kunnen brengen. De detective van het donkere heelal gaat op onderzoek!
3. Hoe is de uitdijing van het heelal in de loop der tijd veranderd?
In de jaren negentig deden kosmologen de verrassende ontdekking dat het heelal sneller uitdijt dan voorheen. Het heelal dijt al uit sinds zijn ontstaan tijdens de oerknal, maar tot voor kort namen wetenschappers aan dat de snelheid waarmee het heelal uitdijt na verloop van tijd zou afnemen, omdat de zwaartekracht van alle materie in het heelal de uitdijing tegenhoudt. Het begrijpen van de versnelde uitdijing blijft een van de grootste uitdagingen van de kosmologie en de fundamentele natuurkunde. Het bewijs voor de veranderende uitdijingssnelheid is gebaseerd op de waargenomen verschillen in helderheid en kleur van zogenaamde 'standaardkaarsen': astronomische objecten met een bekende en constante lichtsterkte. Objecten die verder weg staan zullen voor ons zwakker lijken, terwijl de uitdijing van de ruimtetijd de golflengte van het licht op weg naar ons uitrekt, een rood wordend effect dat roodverschuiving wordt genoemd. Euclid zal ook de roodverschuiving van sterrenstelsels meten, waardoor we hun afstand tot ons kunnen bepalen.
Door meer dan een derde van de hemel te scannen met een telescoop die gevoelig genoeg is om licht te zien dat er 10 miljard jaar over heeft gedaan om ons te bereiken, kan Euclid ons vertellen hoe de uitdijingssnelheid van het heelal in de loop der tijd is veranderd. Door zijn grote gezichtshoek kan Euclid ook onderzoeken of de uitdijing in alle richtingen gelijk is. Mocht dat niet zo zijn, dan zou dat in strijd zijn met het zogenaamde kosmologisch principe, dat stelt dat op een voldoende grote schaal het heelal er in alle richtingen (isotropie) en vanaf elke plaats (homogeniteit) hetzelfde uitziet. Deze fundamentele regel ligt ten grondslag aan bijna alle modellen en analyses die in de kosmologie worden gebruikt.
4. Wat is de aard van donkere energie?
Tot in detail weten hoe het heelal aan het uitdijen is (en was) is één ding, maar we willen ook weten wat de drijvende kracht daarachter is. Kosmologen hebben deze onbekende component van het heelal 'donkere energie' genoemd. Niemand weet waar het van gemaakt is en of het wel een vorm van energie is! De beste werkhypothese is iets dat Albert Einstein al in 1917 voorstelde. Hij introduceerde de 'kosmologische constante' in zijn berekeningen, een constant energieveld dat in heel het heelal aanwezig is. Dit is een intrinsieke eigenschap van het vacuüm van de ruimte, dus hoe groter het volume van de ruimte, hoe meer 'vacuümenergie' (donkere energie) er aanwezig is en hoe groter de effecten ervan.
Er zijn nog andere alternatieven. De versnelling zou bijvoorbeeld kunnen worden veroorzaakt door een vijfde fundamentele natuurkracht die mee-evolueert met de uitdijing van het heelal. In tegenstelling tot de kosmologische constante is deze "kwintessens" dynamisch, tijdsafhankelijk en niet gelijkmatig over het heelal verdeeld. Elke verklaring voor wat donkere energie eigenlijk is, verandert subtiel de manier waarop de versnelling in de loop van de kosmische tijd verandert, maar tot nu toe is geen enkel experiment in staat geweest de versnelling voldoende gedetailleerd te meten om onderscheid te kunnen maken tussen de mogelijke oplossingen. De uiterst nauwkeurige en precieze metingen van Euclid zullen hierin verandering brengen en hopelijk de ware aard van donkere energie aan het licht brengen.
5. Begrijpen we de zwaartekracht echt helemaal?
Het bestaan van donkere materie en de versnelde uitdijing van het heelal doen beide vermoeden dat we iets belangrijks over het hoofd zien. Deze twee verrassende ontdekkingen hebben één ding gemeen: ze hebben te maken met zwaartekracht. Zwaartekracht houdt planeten, sterren, zonnestelsels en zelfs sterrenstelsels bij elkaar. We ervaren het elke dag: het houdt ons met beide benen op de grond en zorgt ervoor dat dingen naar beneden vallen in plaats van in een andere richting. De beste theorie die we hebben om de zwaartekracht te beschrijven is de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Daarin stelt hij dat zwaartekracht geen letterlijke aantrekkingskracht is, maar eerder een gevolg van massieve voorwerpen die de ruimtetijd buigen. Een object met massa vervormt de ruimtetijd, een beetje zoals een zware bal een trampolinemat naar beneden zou duwen. Door de trampolinemat te buigen, zullen lichtere ballen op de trampolinemat automatisch naar het midden rollen.
De algemene relativiteitstheorie heeft ook andere implicaties, waaronder het bestaan van zwarte gaten en gravitatiegolven; het sneller of langzamer verstrijken van de tijd voor verschillende waarnemers, afhankelijk van zowel hun relatieve snelheid en versnelling als de sterkte van de zwaartekracht die ze ervaren; ook lichtbanen worden beïnvloed door de zwaartekracht. De voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie zijn keer op keer juist gebleken. Maar deze theorie is nog nooit met grote precisie getest over de grote afstanden en tijden die Euclid zal bestrijken. Euclid zal dus uitwijzen of door deze test op de grootst mogelijke schaal, de algemene relativiteitstheorie het begeeft. Als dat zo is, moeten natuurkundigen terug naar de tekentafel.
Bron: ESA
