DESI førsteårsdata leverer hidtil usete målinger af ekspanderende univers

Forskere har analyseret den første batch af data fra Dark Energy Spectroscopic Instruments søgen efter at kortlægge universet og opklare mysterierne bag mørk energi.

Med 5.000 bittesmå robotter i et bjergtopteleskop giver Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) forskere mulighed for at se 11 milliarder år ind i fortiden. Lyset fra fjerntliggende objekter i rummet er netop nu ved at nå DESI, hvilket gør det muligt for forskere at kortlægge kosmos, som det var i dets ungdom, og samtidig spore dets vækst. At forstå, hvordan universet har udviklet sig, er knyttet til et af fysikkens største mysterier:mørk energi, som forskere antager, driver universets ekspansion.

DESI er et internationalt videnskabeligt samarbejde, der involverer mere end 800 videnskabsmænd fra hele kloden. Blandt dem er forskere fra University of Rochesters kosmologigruppe, en tværfaglig gruppe, der omfatter professorer, postdoktorale forskningsmedarbejdere, kandidatstuderende og bachelorer fra fysik, astronomi, datavidenskab og datalogi. Gruppen ledes i fællesskab af Regina Demina, professor i fysik; Segev BenZvi, en lektor i fysik; og Kelly Douglass, en assisterende professor i fysik og astronomi (instruktions).

DESI er i øjeblikket midt i en femårig mission for at måle 40 millioner galakser og kvasarer og skabe det største 3D-kort over kosmos, der nogensinde er konstrueret, med de mest præcise målinger til dato. Instrumentet begyndte sin undersøgelse i 2021, og forskerne annoncerede for nylig deres analyse af det første års indsamlede data, herunder målinger af universets ekspansionshastighed og sammensætning. De offentliggjorde deres analyse i flere artikler på arXiv preprint server.

"DESI-dataene er en enorm stigning i størrelse i forhold til alt, hvad vi har indsamlet før," siger Douglass. "DESI's år-et prøve af galakser og kvasarer er allerede seks gange større end de kombinerede målinger af alle tidligere spektroskopiske undersøgelser udført i løbet af de sidste 40 år."

Og dataene for et år er kun begyndelsen, tilføjer Demina, "Det fulde datasæt vil gøre os i stand til at se nærmere på selve begyndelsen af ​​vores univers – en periode, hvor universet gennemgik en hurtig eksponentiel udvidelse."

Optiske øjne på himlen

DESI-instrumentet er placeret ved det eftermonterede Mayall-teleskop ved National Science Foundations Kitt Peak National Observatory nær Tucson, Arizona. Instrumentet inkorporerer optik, der øger teleskopets synsfelt og omfatter 5.000 robotstyret optiske fibre til at indsamle spektroskopiske data fra objekter i teleskopets synsfelt og overvåge de tredimensionelle positioner af galakser og kvasarer i universet.

Rochester-gruppen har været en del af DESI siden 2017. Gruppemedlemmer spillede nøgleroller i idriftsættelse og drift af instrumentet, herunder udvikling og fejlfinding af software for at sikre, at de 5.000 fibre peger optimalt mod deres mål.

Rochester-gruppens medlemmer bidrog også væsentligt til at validere års-et-dataene, herunder undersøgelse af systematiske usikkerheder – potentielle fejl eller variationer – som kunne påvirke målingerne for bedre at sikre nøjagtigheden og pålideligheden af ​​resultaterne.

Afkodning af universets ekspansion – og mørke energi

DESI er bygget til at måle baryon akustiske oscillationer (BAO) - enorme boblelignende strukturer, som galakser følger, dannet af forhold kort efter Big Bang. I sit første år brugte DESI 5,7 millioner galakser og kvasarer fra sin spektroskopiske prøve til at måle størrelsen af ​​BAO og estimere, hvor hurtigt universet udvider sig, en størrelse kendt som Hubbles konstant.

BAO bruges også til at begrænse tæthederne af mørkt stof og mørk energi. Forskere har længe troet, at universet udvidede sig med en konstant hastighed, men i 1999 viste det sig, at udvidelseshastigheden var accelererende. Mørk energi antages at drive accelerationen.

Nogle teorier tyder på, at et eller flere skalarfelter (usynlige kræfter, der udvider universet), svarende til det skalarfelt, der antages at drive den inflationære vækst af universet kort efter Big Bang, bidrager til mørk energi.

"Indtil videre er kun ét skalarfelt kendt af menneskeheden - Higgs-feltet," siger Demina, som var en del af holdet, der opdagede Higgs-feltet i 2012 ved hjælp af Large Hadron Collider ved CERN i Schweiz. "Nu er det tid til at tjekke, om der er flere sådanne felter."

Et andet spørgsmål, DESI søger at besvare, er, om mørk energi har en konstant værdi overalt i universet – kendt som en kosmologisk konstant – eller om dens egenskaber er forskellige i tid og rum. Mens DESI's BAO-målinger fra et år er kompatible med en kosmologisk konstant, favoriserer de en smule en model, der antyder, at mørk energi er et udviklende eller "dynamisk" felt.

Ifølge BenZvi, "Beviset for at udvikle mørk energi kunne være meget interessant, men det kan også være en tilfældig udsving. Vi kan ikke være sikre, før vi ser på den næste batch af data. Det nuværende estimat er sent i 2025 for den næste udgivelse."

Flere oplysninger: DESI-papirer:data.desi.lbl.gov/doc/papers/

Journaloplysninger: arXiv

Leveret af University of Rochester