Søgning efter mørk energi kunne belyse oprindelse, udvikling, universets skæbne

Universet, vi ser, er kun toppen af ​​det enorme kosmiske isbjerg.

De hundreder af milliarder af galakser, den indeholder, hver af dem er hjemsted for milliarder af stjerner, planeter og måner samt massive stjerne-og-planet-dannende skyer af gas og støv, og alt det synlige lys og anden energi, vi kan detektere i form af elektromagnetisk stråling, såsom radiobølger, gammastråler og røntgenstråler – kort sagt, alt, hvad vi nogensinde har set med vores teleskoper - udgør kun omkring 5% af al massen og energien i universet.

Sammen med dette såkaldte normale stof er der også mørkt stof, som ikke kan ses, men kan observeres ved dens gravitationseffekt på normal, synligt stof, og udgør yderligere 27% af universet. Føj dem sammen, og de udgør kun 32 % af universets masse – så hvor er de andre 68 %?

Mørk energi.

Så hvad er mørk energi egentlig? Enkelt sagt, det er en mystisk kraft, der presser universet udad og får det til at udvide sig hurtigere, når det ældes, engageret i en kosmisk tovtrækkeri med mørkt stof, som forsøger at trække universet sammen. Udover det, vi forstår endnu ikke, hvad mørk energi er, men Penn State astronomer er kernen i en gruppe, der sigter på at finde ud af det gennem et unikt og ambitiøst projekt 16 år undervejs:HETDEX, Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment.

"HETDEX har potentialet til at ændre spillet, " sagde lektor i astronomi og astrofysik Donghui Jeong.

Mørk energi og det ekspanderende univers

I dag er der konsensus blandt astronomer om, at universet, vi bebor, udvider sig, og at dens ekspansion accelererer, men ideen om et ekspanderende univers er mindre end et århundrede gammel, og forestillingen om mørk energi (eller noget andet), der accelererer denne ekspansion, har kun eksisteret i lidt mere end 20 år.

I 1917, da Albert Einstein anvendte sin generelle relativitetsteori til at beskrive universet som helhed, lægger grundlaget for big bang-teorien, han og andre førende videnskabsmænd på det tidspunkt opfattede kosmos som statisk og ikke-ekspanderende. Men for at forhindre det univers i at kollapse under tyngdekraftens tiltrækkende kraft, han havde brug for at indføre en frastødende kraft for at modvirke den:den kosmologiske konstant.

Det var først i 1929, da Edwin Hubble opdagede, at universet i virkeligheden udvider sig, og at galakser længere væk fra Jorden bevæger sig hurtigere væk end dem, der er tættere på, at modellen af ​​et statisk univers endelig blev forladt. Selv Einstein var hurtig til at ændre sine teorier, i begyndelsen af ​​1930'erne udgivelse af to nye og særskilte modeller af det ekspanderende univers, begge uden den kosmologiske konstant.

Men selvom astronomerne endelig havde forstået, at universet udvidede sig, og havde mere eller mindre opgivet konceptet om den kosmologiske konstant, de antog også, at universet var domineret af stof, og at tyngdekraften til sidst ville få dets udvidelse til at bremse; universet ville enten fortsætte med at udvide sig for evigt, men stadigt mere langsomt, eller det ville på et tidspunkt ophøre med sin ekspansion og derefter kollapse, ender i et "stort knas".

"Det var den måde, vi troede, universet fungerede på, frem til 1998, " sagde professor i astronomi og astrofysik Robin Ciardullo, et stiftende medlem af HETDEX.

Det år, to uafhængige teams - det ene ledet af Saul Perlmutter ved Lawrence Berkeley National Laboratory, og den anden ledet af Brian Schmidt fra Australian National University og Adam Riess fra Space Telescope Science Institute - ville næsten samtidigt offentliggøre forbløffende resultater, der viser, at universets udvidelse faktisk accelererede, drevet af en mystisk antityngdekraft. Senere samme år, Kosmolog Michael Turner fra University of Chicago og Fermilab opfandt udtrykket "mørk energi" for at beskrive denne mystiske kraft.

Opdagelsen ville blive kåret som magasinet Sciences "Årets gennembrud" for 1998, og i 2011 Perlmutter, Schmidt og Reiss ville blive tildelt Nobelprisen i fysik.

Konkurrerende teorier

Mere end 20 år efter opdagelsen af ​​mørk energi, astronomer ved stadig ikke hvad, Nemlig, det er.

"Når astronomer siger 'mørkt, "Det betyder, at vi ikke har nogen anelse om det, " sagde Jeong med et skævt grin. "Mørk energi er bare en anden måde at sige, at vi ikke ved, hvad der forårsager denne accelererende ekspansion."

Der er, imidlertid, en række teorier, der forsøger at forklare mørk energi, og et par store kandidater.

Den måske mest foretrukne forklaring er den tidligere forladte kosmologiske konstant, som nutidens fysikere beskriver som vakuumenergi. "Vakuum i fysik er ikke en tilstand af ingenting, " Jeong forklarede. "Det er et sted, hvor partikler og antipartikler kontinuerligt skabes og ødelægges." Den energi, der produceres i denne evige cyklus, kunne udøve en udadgående kraft på selve rummet, forårsager dens udvidelse, indledt i big bang, at accelerere.

Desværre, de teoretiske beregninger af vakuumenergi stemmer ikke overens med observationerne - med en faktor på så meget som 10 ¹²⁰ , eller en et efterfulgt af 120 nuller. "Det er meget, meget usædvanligt, "Jeong sagde, "men det er der, vi vil være, hvis mørk energi viser sig at være konstant." Denne uoverensstemmelse er tydeligvis et stort problem, og det kunne nødvendiggøre en omarbejdning af den nuværende teori, men den kosmologiske konstant i form af vakuumenergi er ikke desto mindre den førende kandidat indtil videre.

Som et resultat af dets design, HETDEX indsamler en enorm mængde data, strækker sig langt ud over de tilsigtede mål og giver yderligere indsigt i ting som mørkt stof og sorte huller, dannelsen og udviklingen af ​​stjerner og galakser, og fysikken i højenergiske kosmiske partikler som neutrinoer.

En anden mulig forklaring er en ny, endnu uopdaget partikel eller felt, der ville gennemtrænge hele rummet; men indtil videre, der er ingen beviser til støtte for dette.

En tredje mulighed er, at Einsteins tyngdekraftsteori er forkert. "Hvis du starter fra den forkerte ligning, "Jeong sagde, "så får du det forkerte svar." Der er alternativer til generel relativitetsteori, men hver har sine egne problemer, og ingen har endnu fortrængt det som den herskende teori. For nu, det er stadig den bedste beskrivelse af tyngdekraften vi har.

Ultimativt, det, der er brug for, er flere og bedre observationsdata – præcis det, HETDEX var designet til at indsamle, som ingen anden undersøgelse har gjort før.

Et kort over stjerner og lyd

"HETDEX er meget ambitiøs, " sagde Ciardullo. "Den kommer til at observere en million galakser for at kortlægge universets struktur, der går over to tredjedele af vejen tilbage til tidens begyndelse. Vi er de eneste, der går så langt ud for at se universets mørke energikomponent, og hvordan den udvikler sig."

Ciardullo, en observationsastronom, der studerer alt fra nærliggende stjerner til fjerne galakser og mørkt stof, er HETDEX's observationschef. Han er hurtig til at bemærke, selvom, at han har fået hjælp i den rolle (fra Jeong og andre), og at han og alle andre på projektet har mere end én hat på. "Dette er et meget stort projekt, " sagde han. "Det er over 40 millioner dollars. Men hvis du tæller hoveder, det er ikke ret mange mennesker. Og så gør vi alle mere end én ting."

Jeong, en teoretisk astrofysiker og kosmolog, der også studerer gravitationsbølger, var medvirkende til at lægge grunden til undersøgelsen og er stærkt involveret i projektets dataanalyse – og han hjælper også Ciardullo med at bestemme, hvor det 10 meter lange Hobby-Eberly-teleskop skal peges, verdens tredjestørste. "Det er lidt interessant, " bemærkede han med et grin, "en teoretiker, der fortæller observatører, hvor de skal kigge."

Mens andre undersøgelser måler universets ekspansion ved hjælp af fjerne supernovaer eller et fænomen kendt som gravitationslinser, hvor lyset bøjes af tyngdekraften af ​​massive objekter som galakser og sorte huller, HETDEX er fokuseret på lydbølger fra big bang, kaldet baryoniske akustiske svingninger. Selvom vi faktisk ikke kan høre lyde i rummets vakuum, astronomer kan se virkningen af ​​disse primordiale lydbølger i fordelingen af ​​stof i hele universet.

I løbet af de første 400, 000 eller deromkring år efter big bang, universet eksisterede som tæt, varmt plasma - en partikelsuppe af stof og energi. Små forstyrrelser kaldet kvantesvingninger i, at plasma udløser lydbølger, som krusninger fra en sten kastet ned i en dam, hvilket hjalp stof med at begynde at klumpe sig sammen og danne universets oprindelige struktur. Resultatet af denne sammenklumpning er tydeligt i den kosmiske mikrobølgebaggrund (også kaldet "eftergløden" af big bang), som er det første lys, og længst tilbage, som vi kan se i universet. Og det er også indprentet i fordelingen af ​​galakser gennem universets historie - som krusningerne på vores dam, frosset ind i rummet.

"Lydbølgernes fysik er ret velkendt, " sagde Ciardullo. "Du kan se, hvor langt disse ting er gået, du ved hvor hurtigt lydbølgerne har rejst, så du kender afstanden. Du har en standard lineal på universet, gennem den kosmiske historie."

Efterhånden som universet har udvidet sig, har herskeren også udvidet sig, og disse varianser i linealen vil vise, hvordan universets ekspansionshastighed, drevet af mørk energi, har ændret sig over tid.

"I bund og grund, "Jeong sagde, "vi laver et tredimensionelt kort over galakser og måler det derefter."

Nyt opdagelsesrum

For at lave deres million-galaksekort, HETDEX-teamet havde brug for et stærkt nyt instrument.

Et sæt på mere end 150 spektrografer kaldet VIRUS (Visible Integral-Field Replicable Unit Spectrographs), monteret på Hobby-Eberly-teleskopet, samler lyset fra disse galakser i en række af omkring 35, 000 optiske fibre og opdeler det derefter i dets komponentbølgelængder i et ordnet kontinuum kendt som et spektrum.

Galaksers spektre afslører, blandt andet, hastigheden, hvormed de bevæger sig væk fra os - en måling kendt som "rødforskydning". På grund af Doppler-effekten, bølgelængden af ​​et objekt, der bevæger sig væk fra sin observatør, strækkes (tænk på en sirene, der bliver lavere i tonehøjde, når den suser væk), og et objekt, der bevæger sig mod sin iagttager, får sin bølgelængde komprimeret, som den samme sirene, der stiger i tonehøjde, efterhånden som den kommer nærmere. I tilfælde af vigende galakser, deres lys strækkes og dermed flyttes mod den røde ende af spektret.

Måling af denne rødforskydning giver HETDEX-teamet mulighed for at beregne afstanden til disse galakser og producere et præcist tredimensionelt kort over deres positioner.

Blandt de galakser, HETDEX observerer, er det, der er kendt som Lyman-alfa-galakser - unge stjernedannende galakser, der udsender stærke spektrallinjer ved specifikke ultraviolette bølgelængder.

"Vi bruger Lyman-alfa-emitterende galakser som en 'sporpartikel' '" forklarede forskningsprofessor i astronomi og astrofysik Caryl Gronwall, som også er stiftende medlem af HETDEX. "De er nemme at finde, fordi de har en meget stærk emissionslinje, som er let at finde spektroskopisk med VIRUS-instrumentet. Så vi har denne metode, der effektivt udvælger galakser ved en ret høj rødforskydning, og så kan vi måle, hvor de er, måle deres egenskaber."

Gronwall, som sammen med Ciardullo har studeret Lyman-alfa-galakser i næsten 20 år, leder HETDEX' indsats på dette område, mens lektor i astronomi og astrofysik Derek Fox giver sin ekspertise til at kalibrere VIRUS-instrumentet, bruge tilfældige observationer af stjerner med velkendte egenskaber til at finjustere dens spektre.

"Hvert skud vi tager med HETDEX, vi observerer nogle stjerner på fibrene, "Forklarede Fox. "Det er en mulighed, fordi stjernerne fortæller dig, hvor følsomt dit eksperiment er. Hvis du kender stjernernes lysstyrke, og du ser de data, du indsamler om dem, det giver mulighed for at holde din kalibrering på punkt."

En af HETDEX' største styrker er, at den blev designet som en blind undersøgelse – der observerer brede himmelstrøg i stedet for specifikke, forudbestemte objekter. "Ingen har prøvet at lave en undersøgelse som denne før, " sagde Ciardullo. "Det er altid "Find dine genstande, så lav spektroskopi." Vi er de første til at prøve at lave en hel masse spektroskopi og så finde ud af, hvad vi så."

Som et resultat af dette design, HETDEX indsamler en enorm mængde data, strækker sig langt ud over de tilsigtede mål og giver yderligere indsigt i ting som mørkt stof og sorte huller, dannelsen og udviklingen af ​​stjerner og galakser, og fysikken i højenergiske kosmiske partikler som neutrinoer.

"Det er meget anderledes og meget interessant, " sagde Jeong. "Vi har et enormt opdagelsesrum."

Ciardullo tilføjede, "En ting kan du udlede - hvis du først skal se et objekt, før du peger dit spektroskop derhen, godt det er fint, men det kræver at objektet kan ses. HETDEX kan observere spektre af ting, som du ikke kan se."

Det betyder, at ud over de kendte data, den indsamler, HETDEX åbner et vindue til uventede fund, endnu uforudsete opdagelser. "Vi vil være en stifinder for flere eksperimenter, " sagde Ciardullo, og den følelse gentages af andre på holdet, inklusive Fox.

"Vi kommer helt sikkert til at være flammende stier derude, " sagde han. "Der er store, stort potentiale for virkelig spændende opdagelser."

Tilbage til rødderne, og videre

Den futuristiske videnskab om HETDEX er, i en mærkelig drejning, meget i tråd med de ideer, der drev udviklingen af ​​Hobby-Eberly Telescope (HET) for næsten 40 år siden.

"HET blev oprindeligt udtænkt som Penn State Spectroscopic Survey Telescope, " forklarede professor emeritus i astronomi og astrofysik Larry Ramsey, der opfandt teleskopet i 1983 sammen med den daværende Penn State-kollega Dan Weedman, og fungerede senere som formand for HET's bestyrelse. "Den oprindelige mission var at udføre spektroskopiske undersøgelser, og i de næsten 20 år mellem, da vi første gang dedikerede teleskopet, og da vi startede HETDEX, teleskopet lavede ikke rigtig undersøgelser. Så i en meget reel forstand tager HETDEX HET tilbage til sine rødder, og det er vokset til et virkelig interessant projekt."

"Omfanget af denne undersøgelse er meget futuristisk, selv nu, " sagde Jeong. Minde om en nylig kosmologikonference, han fortalte en diskussion om fremtiden for galaktiske undersøgelser. "Jeg sad der og lyttede, og det var dybest set, hvad vi laver, " sagde han. "HETDEX er en fremtidig undersøgelse, der eksisterer nu."

Ud over hvad HETDEX opdager om mørk energi, de data, den indsamler, vil også give foder til fremtidige undersøgelser, der ligger langt ud over deres egen mission. Og chancerne er, HETDEX vil fortsætte med at lave "rumbrydende" videnskab i det fjerne, højrødforskydningsunivers i en del år fremover.

"Selv aktuelt planlagte fremtidige undersøgelser går ikke ud over HETDEX, " sagde Jeong. "Jeg tror, ​​vi stadig vil være på forkant, selv 10 år fra nu."