Hvordan man bygger et 3D-kort over universet – og hvorfor

Et af videnskabens største mysterier begyndte med en døende stjerne.

Det var ikke nogen bestemt døende stjerne så meget som ideen om en. I 1980'erne, Saul Perlmutter ved Department of Energy's (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) og hans samarbejdspartnere indså, at de kunne bruge data om supernovaer til at forske i universets historie. Supernovaer er ekstremt lysstærke eksploderende stjerner, der kaster meget af deres masse ud i rummet, før de blinker ud.

Heldigvis, Type Ia supernovaes lysstyrke er meget konsistent. Selv når deres faktiske lysstyrke varierer, det gør det på en forudsigelig måde. Ved at sammenligne målinger af hvor lyse disse supernovaer fremstår i teleskoper med deres faktiske lysstyrke, sammen med målinger af lys fra deres hjemlige galakser, videnskabsmænd kan finde ud af deres alder og afstand fra os. Ved at bruge dem, de kan vurdere, hvordan universet har udvidet sig over tid.

I løbet af et årti, Perlmutters team indsamlede nok data til at lede efter en sammenhæng mellem en supernovas lysstyrke og afstand fra Jorden. De forventede at se, at meget fjerne supernovaer virkede en smule lysere, end de ville gøre i et ekspanderende univers, der ikke bremsede sin vækst.

Dataene afslørede noget helt andet.

Supernovaerne så alle mørkere ud, end de burde for deres afstand. I starten forskerne troede, at det bare var et bizart sæt data. "Når du ser et fantastisk nyt resultat, din første tanke er ikke 'Eureka!, 'det er, 'Det er en interessant graf, " sagde Perlmutter. Han og hans team brugte mere end seks måneder på at tjekke alle aspekter af grafen, leder efter et aspekt af analysen, der kan være forkert.

Det var det ikke.

Faktisk, den viste det modsatte:Universet udvidede sig stadig hurtigere. Konsekvensen af ​​dette var dramatisk. For at dataene kan fungere med Einsteins generelle relativitetsteori – grundlaget for astrofysikken – skal 70 procent af universets energi komme fra en ukendt kilde.

Noget – meget af noget – manglede i vores grundlæggende forståelse af universet.

Da Perlmutter forberedte sig til en kommende konference, han foretog en række ændringer af sine plastiktransparensglas for at præsentere de nye resultater. "Du er klar over, at det er en meget stor, væsentligt resultat, men det gør dig endnu mere forsigtig, " sagde han. "Når du siger det offentligt, du har arbejdet med det så længe, ​​at det ikke føles som en overraskelse for dig."

Men for publikum, hans tale fra 1998 skabte store bølger. Ikke længe efter, et konkurrerende hold præsenterede samme resultat. I 2011 Perlmutter, Brian Schmidt, og Adam Riess modtog Nobelprisen i fysik for opdagelsen.

Fordi vi ikke ved, hvad der presser universet hurtigere udad, "mørk energi" er videnskabsmænds stenografi for den mystiske proces. For at forstå historien om vores univers, forskere støttet af DOE Office of Science samarbejder med videnskabsmænd over hele kloden for at bygge omfattende 3D-kort over rum og tid.

Med tanke på mulighederne

Uanset hvad mørk energi er, det er underligt. Ingen af ​​mulighederne passer til videnskabsmænds forståelse af fysik.

Den første mulighed er, at det er den "kosmologiske konstant." Da Albert Einstein udviklede ligningerne, der beskriver den generelle relativitetsteori, han antog, at universet forblev den samme størrelse. For at opveje tyngdekraften, der trækker indad på universet, han sidder fast i en variabel, den kosmologiske konstant, indikerer, at noget skubbede udad. Da Edwin Hubble fandt ud af, at universet udvidede sig, Einstein fjernede konstanten. Da de fandt ud af, at der er et mystisk noget, der skubber udad, videnskabsmænd vendte tilbage til Einsteins idé. Desværre, tallene fra de eksperimentelle data er 10 ¹²⁰ gange mindre end forventningerne til en kosmologisk konstant i ligningerne.

Der er yderligere to muligheder. Den anden er, at mørk energi er en ukendt form for energi, der har ændret sig over tid. Den tredje mulighed er, at den generelle relativitetsteori ikke forklarer, hvad der sker på de største skalaer. I stedet, det ville være en tilnærmelse af en endnu mere generel teori. Det ville kaste en skruenøgle ind i en af ​​vores mest succesrige søjler inden for astrofysik.

Mere end blot begyndelsen af ​​universet

At finde ud af, hvordan universets struktur har ændret sig over tid, kan hjælpe forskerne med at afgøre, om mørk energi er konstant eller ej.

Forskere ved allerede, hvordan universet så ud i dets tidlige dage, omkring 10 milliarder år siden. De har studeret den kosmiske mikrobølgebaggrund, et sæt svage varmesignaturer tilbage fra dengang. Fra at undersøge denne dvælende stråling, videnskabsmænd kan regne ud mønstrene for tæthed og stråling helt dengang.

Det er at finde ud af, hvad der skete for 10 milliarder år siden og frem, det er den svære del. Heldigvis, videnskabsmænd har noget som tidsrejser til rådighed, når det kommer til objekter, der er ekstremt langt væk. Fordi lys tager tid at ankomme til Jorden, ekstremt kraftige teleskoper ser ikke på moderne stjerner. I stedet, videnskabsmænd ser, hvordan disse stjerner så ud i tusindvis, millioner, og endda for milliarder af år siden, afhængig af hvor langt væk de er. At se bagud på stadig fjernere stjerner giver dem mulighed for at skabe kort, der kortlægger længden, bredde, og afstand over tid.

Hvordan man måler universet

For et kort af denne slags, forskere har brug for specielle værktøjer baseret på stjernerne og galakserne selv.

Type Ia supernovaer er den første mulighed. Brug af denne metode kræver, at videnskabsmænd tager nye supernovamålinger med meget højere præcision ved et større område af afstande. "Næsten alle de store teorier passer til dataene og ville ikke kunne skelnes fra hinanden undtagen med meget, målinger med meget høj præcision, sagde Perlmutter.

Selvom DOE's Office of Science støtter adskillige projekter, der kan foretage disse højpræcisionsmålinger, andre teknikker er også nødvendige. For noget, der er så uden for den kendte fysiks område, forskere ønsker flere metoder til at sammenligne resultater.

Det næste værktøj er at analysere Baryon Acoustic Oscillation (BAO). Ligesom den kosmiske mikrobølgebaggrund, BAO er en rest fra universets tidlige dage. Ikke længe efter Big Bang, plasmaet, der udgjorde alt, udvidede sig, skabe bølger af tæthed og tryk. Omkring 370, 000 år senere, plasmaet afkølet, "fryser" trykbølgerne. De opadgående bølger efterlod stofklumper ved deres begyndelse og slutning. Efterhånden som universet voksede, disse bølgemønstre strakte sig ud.

Nu, mønstrene er præget på fordelingen af ​​alt stof. Ved at se på, hvordan den kosmiske mikrobølgebaggrunds mønstre (som afspejler universets begyndelse) er forskellige fra BAO's mønstre (som afspejler det midterste og nuværende univers), videnskabsmænd kan kortlægge ændringer i stoffets fordeling over tid. "Det er baseret på den grundlæggende fysik fra universets begyndelse, " sagde Parker Fagrelius, en LBNL-forsker.

Hvis det ikke var tankevækkende nok, en anden teknik kaldet svag gravitationslinser måler, hvordan massive objekter forvrænger galaksernes form. Galakser er så store, at de bøjer rummet, sammen med lyset fra andre galakser bag dem. Når et teleskop på Jorden tager et billede af baggrundsgalakserne, deres former er strakte i forhold til deres sande former. Ved at måle denne lille forvrængning i form af baggrundsgalakserne i forskellige positioner, videnskabsmænd kan finde ud af massen af ​​forgrunden. Denne teknik kan også hjælpe dem med at kortlægge stoffordelingen, inklusive både synligt og mørkt stof. "Det er en af ​​de reneste måder at måle massen på, " sagde Maria Elidaiana da Silva Pereira, en forsker ved Brandeis University, der arbejder på Dark Energy Survey.

Den sidste mulighed er at måle egenskaberne af galaksehobe, eller grupper af galakser. De største klynger afslører, hvor det tidlige univers var tættest. "De kan fortælle os meget om væksten og dannelsen af ​​strukturer i universet, " sagde Antonella Palmese, en forsker ved DOE's Fermi National Accelerator Laboratory.

Ikke dit gennemsnitlige digitalkamera

Forskere har også deres valg af muligheder, når det kommer til at tage data.

Billedundersøgelser er teleskoper med gigantiske digitale kameraer. De tager store, fejende fotografier af himlen, der omfatter et stort antal galakser og supernovaer. Forskere analyserer objekternes lysstyrke og farve, som giver dem information om deres afstand og masse.

The Dark Energy Survey, som er støttet af en international gruppe, der omfatter DOE's Office of Science, leverer det mest omfattende sæt billeddata til rådighed. Disse billeder kommer fra et 520-megapixel kamera; sammenlignet med, peg-og-skyd-kameraer er 16 til 20 megapixels. Monteret på et teleskop i Chile, Dark Energy Camera tog billeder af omkring en fjerdedel af den sydlige himmel i fem år. Da den var færdig med at tage data i januar 2019, det havde billeder af mere end 300 millioner galakser, titusindvis af galaksehobe, og flere tusinde Type Ia supernovaer. "Der var intet så kraftfuldt som Dark Energy Survey med hensyn til antallet af galakser og galaksehobe, sagde Palmese.

At se på så mange galakser gav forskerne et hidtil uset kig på svag gravitationslinser. Holdet lavede den mest præcise måling af, hvordan stof er fordelt i universet hidtil. Med disse observationer, de kørte en model af et univers bestående af mørk energi og mørkt stof, som om mørk energi var konstant over tid (hvilket det ville være, hvis det er den kosmologiske konstant), og hvis det ikke var (en anden kraft). Hvis resultaterne fra modellerne ved hjælp af Dark Energy Survey-dataene og resultaterne fra den kosmiske mikrobølgebaggrund matchede, det ville have bekræftet, at den kosmologiske konstantmodel fungerer godt. Med andre ord, det ville vise, at mørk energi er en kosmologisk konstant.

Resultaterne var tætte - men ikke helt de samme. Mens data lænede sig mod konstanten, det var ikke stærkt nok til at sige, om der er en reel uoverensstemmelse mellem mængden af ​​stof målt af Dark Energy Survey versus de kosmiske mikrobølgebaggrundsresultater. Det kunne tyde på nogle problemer med selve modellen.

Den næste store ting

I modsætning til de digitale kameraer til billedundersøgelser, spektroskopiske undersøgelser har bundter af fiberoptiske kabler, som hver især samler lys fra en anden galakse. Disse bundter giver typer information om de synlige og ikke-synlige bølgelængder af lys, der er forskellige fra, hvad videnskabsmænd kan få fra fotografier. Denne information leverer præcise detaljer om et objekts afstand og hastighed. Imidlertid, en spektroskopisk undersøgelse kan kun tage data om en brøkdel af de objekter, som en billeddannende undersøgelse kan.

Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) er det næste skridt fremad. Et spektroskopisk instrument installeret på Mayall-teleskopet i Arizona, DESI vil begynde at indsamle data om den nordlige himmel i begyndelsen af ​​næste år. Det, der gør DESI unik sammenlignet med tidligere undersøgelser, er den store mængde data, den kan tage. Den vil være i stand til at indsamle data om lysspektret fra ultraviolet hele vejen til infrarød på 5, 000 galakser samtidigt.

"Det åbner virkelig op for den kosmologiske tidslinje, sagde Fagrelius, som har arbejdet på projektet i store dele af sin karriere. "Det er rigtig spændende." DESI skulle give resultater for BAO, der er tre gange mere nøjagtige end alle tidligere beregninger kombineret samt dybdegående data om linse- og galaksehobe. At kombinere disse resultater kan give os den bedste indsigt endnu i, hvordan mørk energi har opført sig over tid.

Med disse værktøjer såvel som Large Synoptic Survey Telescope - som forventes at blive opsendt i Chile i 2023 - forventer videnskabsmænd at finde en præcis beskrivelse af mørk energi.

Men det er sandsynligt, at undersøgelsen vil rejse flere spørgsmål, end den besvarer. Trods alt, denne undersøgelse startede, fordi Perlmutter og hans team forsøgte at finde ud af, hvor meget universets udvidelse bremsede. De forventede aldrig at finde det modsatte.

"Det, jeg er begejstret for, er det, vi ikke forventer at se, " sagde Fagrelius. "Med denne mængde data, vi kommer til at opdage ting, som vi ikke vidste, vi ledte efter."