Mørk energi:nyt eksperiment kan løse et af universets største mysterier

Som astronom, der er ingen bedre følelse end at opnå "første lys" med et nyt instrument eller teleskop. Det er kulminationen på mange års forberedelser og konstruktion af nyt hardware, som for første gang opsamler lyspartikler fra et astronomisk objekt. Dette efterfølges normalt af et lettelsens suk og derefter spændingen over al den nye videnskab, der nu er mulig.

Den 22. oktober Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) på Mayall-teleskopet i Arizona, OS, opnået første lys. Dette er et stort spring i vores evne til at måle galakseafstande - hvilket muliggør en ny æra med kortlægning af strukturerne i universet. Som navnet indikerer, det kan også være nøglen til at løse et af de største spørgsmål inden for fysik:hvad er den mystiske kraft kaldet "mørk energi", der udgør de 70 procent af universet?

Kosmos er klumpet. Galakser lever sammen i grupper på nogle få til snesevis af galakser. Der er også hobe på nogle få hundrede til tusindvis af galakser og superhobe, der indeholder mange sådanne hobe.

Dette hierarki af universet har været kendt fra de første kort over universet, som lignede en "stickman" i grafer af det banebrydende Center for Astrophysics (CfA) Redshift Survey. Disse slående billeder var det første glimt af store strukturer i universet, nogle spænder over hundreder af millioner lysår på tværs.

CfA-undersøgelsen blev møjsommeligt konstrueret én galakse ad gangen. Dette involverede måling af spektret af galakselyset - en opdeling af lyset efter bølgelængde, eller farve - og identificere fingeraftryk af visse kemiske grundstoffer (for det meste brint, nitrogen og ilt).

Disse kemiske signaturer flyttes systematisk til længere røde bølgelængder på grund af universets udvidelse. Dette "røde skift" blev først opdaget af astronomen Vesto Slipher og gav anledning til den nu berømte Hubbles lov - observationen af, at fjernere galakser ser ud til at bevæge sig væk med en hurtigere hastighed. Det betyder, at galakser, der er tæt på, ser ud til at bevæge sig relativt langsomt væk til sammenligning - de er mindre rødforskudte end galakser langt væk. Derfor, at måle rødforskydningen af ​​en galakse er en måde at måle dens afstand på.

Vigtigt, det nøjagtige forhold mellem rødforskydning og afstand afhænger af universets ekspansionshistorie, som kan beregnes teoretisk ved hjælp af vores teori om tyngdekraft og vores antagelser om universets stof og energitæthed.

Alle disse antagelser blev i sidste ende testet ved århundredeskiftet med kombinationen af ​​nye observationer af universet, herunder nye 3-D kort fra større rødforskydningsundersøgelser. I særdeleshed, Sloan Digital Sky Survey (SDSS) var det første dedikerede rødforskydningsteleskop til at måle over en million galakse rødforskydninger, kortlægning af storskalastrukturen i universet til hidtil usete detaljer.

SDSS-kortene inkluderede hundredvis af superklynger og filamenter og hjalp med at gøre en uventet opdagelse - mørk energi. De viste, at universets stoftæthed var meget mindre end forventet fra den kosmiske mikrobølgebaggrund, som er lyset tilbage fra Big Bang. Det betød, at der måtte være et ukendt stof, døbt mørk energi, driver en accelereret udvidelse af universet og bliver mere og mere blottet for stof.

Puslespillet

Kombinationen af ​​alle disse observationer indvarslede en ny æra af kosmologisk forståelse med et univers bestående af 30 procent stof og 70 procent mørk energi. Men på trods af at de fleste fysikere nu har accepteret, at der er sådan noget som mørk energi, vi kender stadig ikke dens nøjagtige form.

Der er dog flere muligheder. Mange forskere mener, at vakuumets energi simpelthen har en bestemt værdi, kaldet en "kosmologisk konstant". Andre muligheder inkluderer muligheden for, at Einsteins enormt succesrige teori om tyngdekraften er ufuldstændig, når den anvendes på hele universets enorme skala.

Nye instrumenter som DESI vil hjælpe med at tage det næste skridt i at løse mysteriet. Det vil måle titusinder af galakse rødforskydninger, spænder over et enormt volumen af ​​universet op til ti milliarder lysår fra Jorden. Sådan en fantastisk, detaljeret kort burde kunne besvare nogle få nøglespørgsmål om mørk energi og skabelsen af ​​de store strukturer i universet.

For eksempel, den burde kunne fortælle os, om mørk energi blot er en kosmologisk konstant. For at gøre dette vil den måle forholdet mellem tryk, som mørk energi lægger på universet, og energien pr. volumenenhed. Hvis mørk energi er en kosmologisk konstant, dette forhold bør være konstant i både kosmisk tid og sted. For andre forklaringer, imidlertid, dette forhold vil variere. Enhver indikation af, at det ikke er en konstant, ville være revolutionerende og udløse intenst teoretisk arbejde.

DESI bør også være i stand til at begrænse, og endda dræbe, mange teorier om modificeret tyngdekraft, muligvis give en eftertrykkelig bekræftelse af Einsteins teori om generel relativitet på de største skalaer. Eller det modsatte - og det ville igen udløse en revolution inden for teoretisk fysik.

En anden vigtig teori, der vil blive testet med DESI, er inflation, som forudsiger, at små tilfældige kvanteudsving af energitæthed i det oprindelige univers blev eksponentielt udvidet i løbet af en kort periode med intens vækst til at blive kimen til de store strukturer, vi ser i dag.

DESI er kun en af ​​flere næste generations mørkeenergimissioner og -eksperimenter, der kommer i det næste årti, så der er bestemt grund til at være optimistisk, at vi snart kan løse mysteriet med mørk energi. Nye satellitmissioner som Euclid, og massive jordbaserede observatorier som Large Synoptic Survey Telescope, vil også give indsigt.

Der vil også være andre rødforskydningsinstrumenter som DESI inklusive 4MOST ved European Southern Observatory. Sammen, disse vil give hundredvis af millioner af rødforskydninger over hele himlen, hvilket fører til et utænkeligt kort over vores kosmos.

Det er vist længe siden nu, da jeg skrev min ph.d. afhandling baseret på kun 700 galakse rødforskydninger. Det viser virkelig, at det er en spændende tid at være astronom.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.