Euclides (satelliet)
Euclides is een toekomstige (lancering in 2020) missie om de geometrie van het heelal in kaart te brengen. Deze missie zal de relatie tussen de afstand (roodverschuiving) en de evolutie van de kosmische structuren onderzoeken (zie Wet van Hubble). Dit zal gebeuren door van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels de vorm en de roodverschuiving te meten tot een roodverschuiving van z ~ 2. Dit wil zeggen dat men tot 10 miljard jaar terug in de tijd zal kijken. Aldus wordt de hele periode bestreken die de donkere materie nodig had om de kosmische expansie te versnellen. Tot voor dertig jaar dachten de astronomen dat het heelal praktisch helemaal uit materie was opgebouwd: protonen, elektronen en neutronen. Nochtans werpen de bewegingen van de sterrenstelsels vragen op die niet kunnen verklaard worden door de massa die de zichtbare materie vertegenwoordigt. Er moeten andere vormen van aantrekking en afstoting werkzaam zijn. Recente berekeningen tonen aan dat de gewone (zichtbare) materie slechts 4% van de totaal aanwezige massa in het heelal uitmaakt. De andere vormen van massa zijn donkere materie (20%) en donkere energie (76%).
Door de donkere energie, die afstotend werkt, zou de expansie versneld worden. Deze eigenschap kan echter door de bekende fysische wetten niet verklaard worden.
De donkere materie werkt net als de gewone materie, aantrekkend. Haar aard is echter onbekend. Voor de hand liggende kandidaten zijn de supersymmetrische extensies van het standaardmodel van elementaire deeltjes. Plausibele deeltjes voor de koude donkere materie zijn het axion en het lichtste superdeeltje. Voor de hete donkere materie komen de massieve neutrino's in aanmerking.
Kosmologische sondes
Twee principes zullen aangewend worden om het heelal in kaart te brengen:
- Zwakke zwaartekrachtslens: is een methode om donkere materie in kaart te brengen door vervormingen te meten van stelsels ten gevolge van ongelijkmatige massaverdelingen.
- Baryonisch-akoestische oscillaties (BAO): zijn regelmatige, periodieke fluctuaties in de dichtheid van de zichtbare, baryonische materie ten gevolge van akoestische golven die bestonden in het vroege heelal.
De zwakke zwaartekrachtslens vereist een beeld van zeer hoge kwaliteit omdat eventuele optische fouten moeten uitgefilterd worden om uiteindelijk de ware afwijkingen ten gevolge van de massawerkingen te kunnen bepalen.
De baryonisch-akoestische oscillaties vereisen een meting van de roodverschuiving van de sterrenstelsels van beter dan 0,1%.
Combinatie van beide methoden levert volgende resultaten op:
- Onderzoek van donkere energie door nauwkeurige meting van zowel de acceleratie als de variatie in de acceleratie op verschillende leeftijden van het heelal.
- Test van de Algemene Relativiteitstheorie op kosmische schaal.
- Onderzoek van de aard van donkere materie door het in kaart brengen van de ruimtelijke verdeling van de donkere materie.
- Verfijnen van de beginvoorwaarden van het heelal omdat dit de kiemen waren van de huidige structuren.
Instrumenten
Eucklides zal twee instrumenten bevatten:
- Visible-light imager (VIS): voor waarnemingen in het zichtbare licht.
- Near-infrared spectrometer (NISP): spectrometer in het nabije infrarood.
Een speciale plaat zal het inkomende licht splitsen naar de twee apparaten zodat de waarnemingen gelijktijdig kunnen gebeuren. Het licht zal gedetecteerd worden door zestien detectors die elk uit 2040 x 2040 pixels bestaan. Zij hebben een waarnemingshoek van iets meer dan tweemaal volle maan. Zij zijn gemaakt van een mengsel van kwik, cadmium en telluride en zijn ontworpen om te werken bij zeer lage temperaturen. De assemblage zal gebeuren in het Laboratoire d'Astrophysique de Marseille.
De Universiteit Zürich in Zwitserland heeft met behulp van de supercomputer "Piz Daint" een simulatie gemaakt van de vorming van het hele heelal. Zo creëerde men een catalogus van 25 miljard virtuele galaxieën. Deze catalogus zal in het geheugen van Euclides geplaatst worden en NISP zal deze vergelijken met zijn waarnemingen. In deze simulatie wordt bestudeerd hoe het fluïdum van donkere materie zou geëvolueerd zijn onder zijn eigen zwaartekracht. De donkere materie zou halo's gevormd hebben en in deze halo's zouden de sterrenstelsels ontstaan zijn. Niet alle donkere materie werd omgezet in zichtbare materie. De overblijvende donkere materie beïnvloedt nu nog altijd de bewegingen van de zichtbare materie. Dit is de aanleiding tot het onderzoek naar donkere materie.
Nieuwe fysica
Euclides kan nieuwe fysica ontdekken door alle facetten van het kosmologisch model opnieuw te toetsen. De Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA) had eerder al een gelijkaardige missie gehad: de Planckmissie. Euclides is eigenlijk een driedimensionale uitbreiding van deze missie door praktisch de halve hemel waar te nemen. De resolutie van 0,2 boogseconden kan alleen in de ruimte gehaald worden en is vergelijkbaar met de ruimtetelescoop Hubble. Na de metingen van Euclides kunnen in de toekomst de waarnemingen met radio en x-stralen samen gebruikt worden met de roodverschuivingen, wat een enorme tijdswinst zal opleveren.
Lancering
Euclides zal rechtstreeks in een transferbaan gebracht worden met een Sojoez ST 2-1b draagraket vanaf de Europese ruimtebasis in Kourou in Frans-Guyana. De transfer naar het tweede zon-aarde lagrangepunt L2 zal 30 dagen duren. De tweede dag, wanneer de sonde stabiel is na de lancering, zal een koerscorrectie doorgevoerd worden. Het lagrangepunt L2 wordt gekozen omdat het relatief eenvoudig te bereiken is. De straling is er relatief laag en het is ver verwijderd van het aarde-maan systeem zodat beïnvloeding van de baan minimaal is. Door de stabiele baan wordt er slechts om de dertig dagen een koerscorrectie uitgevoerd.
Omdat er een grote gegevensstroom verwacht wordt, wordt voor de transmissie van wetenschappelijke gegevens gekozen voor de K-band (25,5-27 GHz) die een bandbreedte heeft van 55 Mbit/s.
Grondsegment
Tijdens zijn levensduur zal Euclides een nooit geziene hoeveelheid gegevens naar de aarde zenden: 850 Gbit gecompresseerd per dag. Er wordt compressie zonder verlies gebruikt met een factor van 2 à 3. Dit is wat het grondsegment moet aankunnen. De sturing van de satelliet en andere huishoudelijke taken zullen offline uitgevoerd worden. De satelliet is in staat zelf problemen op te lossen zodat het grondsegment zich niet moet bezighouden met de besturing.
De transmissie voor de huishoudelijke taken zal plaatsvinden in de X-Band (8,0-8,4 GHz). Het netwerk van grondstations tijdens de lancering en initiële fase van de missie zal bestaan uit de 15-meter antenne in Kourou en de 35-meter antennes in New Norcia in Australië (Perth) en Cebreros nabij Madrid. Ofwel de Cebreros antenne in combinatie met de antenne in Maspalomas op Gran Canaria. Deze configuratie geeft een 24 uren dekking tijdens deze kritieke fase van de missie.
Voor alle andere fasen worden het Cerebros en het Malargüe grondstation in Argentinië gebruikt. Beide zijn met K-bandontvangers uitgerust. Er zal dagelijks gedurende vier uren verbinding zijn met Euclides. Voor de rest van de dag is Euclides op zichzelf aangewezen.
Het missie hoofdkwartier is in Darmstadt (Duitsland) op de hoofdzetel van de ESA. Van hieruit zal de satelliet bestuurd worden en zullen de ruwe wetenschappelijke gegevens naar het grondsegment gestuurd worden.