Mørk energiundersøgelse frigiver det mest præcise kig på universets udvikling

I 29 nye videnskabelige artikler, Dark Energy Survey undersøger de største kort nogensinde over galaksefordeling og -former, strækker sig mere end 7 milliarder lysår på tværs af universet. Den ekstraordinært præcise analyse, som omfatter data fra undersøgelsens første tre år, bidrager til den mest kraftfulde test af den nuværende bedste model af universet, den kosmologiske standardmodel. Imidlertid, hints tilbage fra tidligere DES-data og andre eksperimenter, der betyder noget i universet i dag, er et par procent mindre klumpet end forudsagt.

Nye resultater fra Dark Energy Survey (DES) bruger den hidtil største prøve af galakser observeret over næsten en ottendedel af himlen til at producere de mest præcise målinger til dato af universets sammensætning og vækst.

DES afbilder nattehimlen ved hjælp af 570 megapixel Dark Energy Camera på National Science Foundations Víctor M. Blanco 4-meter teleskop ved Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO) i Chile, et program fra NSF's NOIRLab. Et af de mest kraftfulde digitale kameraer i verden, Dark Energy Camera er designet specielt til DES. Det blev finansieret af Department of Energy (DOE) og blev bygget og testet på DOE's Fermilab.

I løbet af seks år, fra 2013 til 2019, DES brugte 30% af tiden på Blanco-teleskopet og undersøgte 5000 kvadratgrader - næsten en ottendedel af hele himlen - i 758 nætters observation, katalogisering af hundreder af millioner af genstande. De resultater, der blev annonceret i dag, trækker på data fra de første tre år - 226 millioner galakser observeret over 345 nætter - for at skabe de største og mest præcise kort endnu over fordelingen af ​​galakser i universet i relativt nyere epoker. DES-dataene blev behandlet ved National Center for Supercomputing Applications ved University of Illinois i Urbana-Champaign.

"NOIRLab er en stolt vært for og medlem af DES-samarbejdet, " sagde Steve Heathcote, CTIO Associate Director. "Både under og efter undersøgelsen, Dark Energy Camera har været et populært valg for samfunds- og chilenske astronomer."

På nuværende tidspunkt Dark Energy Camera bruges til programmer, der dækker en bred vifte af videnskab, herunder kosmologi. The Dark Energy Camera videnskabsarkiv, inklusive DES Data Release 2, som disse resultater er baseret på, er kurateret af Community Science and Data Center (CSDC), et program fra NSF's NOIRLab. CSDC leverer softwaresystemer, brugertjenester, og udviklingsinitiativer til at forbinde og støtte de videnskabelige missioner af NOIRLabs teleskoper, herunder Blanco-teleskopet på CTIO.

Siden DES studerede nærliggende galakser såvel som disse milliarder af lysår væk, dens kort giver både et øjebliksbillede af universets nuværende storskalastruktur og et billede af, hvordan denne struktur har udviklet sig over de sidste 7 milliarder år.

Almindelig stof udgør kun omkring 5% af universet. Mørk energi, som kosmologer antager, driver den accelererende udvidelse af universet ved at modvirke tyngdekraften, tegner sig for omkring 70%. De sidste 25% er mørkt stof, hvis gravitationspåvirkning binder galakser sammen. Både mørkt stof og mørk energi forbliver usynlige. DES søger at belyse deres natur ved at studere, hvordan konkurrencen mellem dem former universets storskalastruktur over kosmisk tid.

For at kvantificere fordelingen af ​​mørkt stof og effekten af ​​mørk energi, DES stolede hovedsageligt på to fænomener. Først, i store skalaer er galakser ikke fordelt tilfældigt i hele rummet, men danner snarere en netlignende struktur, der skyldes tyngdekraften af ​​mørkt stof. DES målte, hvordan dette kosmiske net har udviklet sig i løbet af universets historie. Galaksehopningen, der danner det kosmiske væv, afslørede igen områder med en højere tæthed af mørkt stof.

Sekund, DES detekterede signaturen af ​​mørkt stof gennem svag gravitationslinser. Mens lys fra en fjern galakse rejser gennem rummet, tyngdekraften af ​​både almindeligt og mørkt stof i forgrunden kan bøje dens vej, som gennem en linse, hvilket resulterer i et forvrænget billede af galaksen set fra Jorden. Ved at studere, hvordan de tilsyneladende former for fjerne galakser er rettet ind efter hinanden og med positionerne af nærliggende galakser langs synslinjen, DES-forskere var i stand til at udlede det mørke stofs klumphed i universet.

For at teste kosmologers nuværende model af universet, DES-forskere sammenlignede deres resultater med målinger fra European Space Agencys kredsende Planck-observatorium. Planck brugte lys kendt som den kosmiske mikrobølgebaggrund til at kigge tilbage til det tidlige univers, kun 400,- 000 år efter Big Bang. Planck-dataene giver et præcist billede af universet for 13 milliarder år siden, og den kosmologiske standardmodel forudsiger, hvordan det mørke stof skal udvikle sig til nutiden.

Kombineret med tidligere resultater giver DES den mest kraftfulde test af den nuværende bedste model af universet til dato, og resultaterne er i overensstemmelse med forudsigelserne fra standardmodellen for kosmologi. Imidlertid, antydninger tilbage fra DES og flere tidligere galakseundersøgelser om, at universet i dag er et par procent mindre klumpet end forudsagt.

Ti områder af himlen blev valgt som "dybe felter", som Dark Energy Camera afbildede gentagne gange gennem undersøgelsen. At stable disse billeder sammen gjorde det muligt for forskerne at få et glimt af fjernere galakser. Holdet brugte derefter rødforskydningsoplysningerne fra de dybe felter til at kalibrere resten af ​​undersøgelsesregionen. Dette og andre fremskridt inden for målinger og modellering, kombineret med en tredobling af data sammenlignet med det første år, satte holdet i stand til at fastlægge universets tæthed og klumpethed med hidtil uset præcision.

DES afsluttede sine observationer af nattehimlen i 2019. Med erfaringerne fra at analysere første halvdel af dataene, teamet er nu klar til at håndtere det komplette datasæt. Den endelige DES-analyse forventes at tegne et endnu mere præcist billede af det mørke stof og den mørke energi i universet.

DES-samarbejdet består af over 400 forskere fra 25 institutioner i syv lande.

"Samarbejdet er bemærkelsesværdigt ungt. Det hælder kraftigt i retning af postdocs og kandidatstuderende, som gør en enorm mængde af dette arbejde, " sagde DES direktør og talsmand Rich Kron, der er en Fermilab og University of Chicago videnskabsmand. "Det er virkelig glædeligt. En ny generation af kosmologer bliver uddannet ved hjælp af Dark Energy Survey."

Metoderne udviklet af holdet har banet vejen for fremtidige himmelundersøgelser såsom Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time. "DES viser, at æraen med store undersøgelsesdata er godt og sandt begyndt, " bemærker Chris Davis, NSFs programdirektør for NOIRLab. "DES på NSF's Blanco-teleskop har sat scenen for de bemærkelsesværdige opdagelser, der kommer med Rubin Observatory i løbet af det kommende årti."