Forskere bruger Dark Energy Spectroscopic Instrument til at lave det største 3D-kort over vores univers

Med 5.000 bittesmå robotter i et bjergtopteleskop kan forskere se 11 milliarder år ind i fortiden. Lyset fra fjerntliggende objekter i rummet når netop nu Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), hvilket gør os i stand til at kortlægge vores kosmos, som det var i dets ungdom, og spore dets vækst til det, vi ser i dag.

At forstå, hvordan vores univers har udviklet sig, er knyttet til, hvordan det ender, og til et af fysikkens største mysterier:mørk energi, den ukendte ingrediens, der får vores univers til at udvide sig hurtigere og hurtigere.

For at studere mørk energis virkninger over de sidste 11 milliarder år har DESI skabt det største 3D-kort over vores kosmos, der nogensinde er konstrueret, med de mest præcise målinger til dato. Dette er første gang, videnskabsmænd har målt det unge univers' ekspansionshistorie med en præcision bedre end 1 %, hvilket giver os vores hidtil bedste overblik over, hvordan universet udviklede sig.

Forskere delte analysen af ​​deres første år med indsamlede data i flere artikler, der vil blive offentliggjort i dag på arXiv pre-print server og i samtaler ved American Physical Society-mødet i USA og Rencontres de Moriond i Italien.

"Vi er utrolig stolte af dataene, som har produceret verdensførende kosmologiske resultater og er de første, der kommer ud af den nye generation af mørk energi-eksperimenter," sagde Michael Levi, DESI-direktør og en videnskabsmand ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), som administrerer projektet.

"Indtil videre ser vi grundlæggende overensstemmelse med vores bedste model af universet, men vi ser også nogle potentielt interessante forskelle, der kunne indikere, at mørk energi udvikler sig med tiden. De forsvinder måske eller ikke med flere data, så vi er glade for snart at begynde at analysere vores treårige datasæt."

Vores førende model af universet er kendt som Lambda CDM. Det inkluderer både en svagt interagerende stoftype (kold mørkt stof eller CDM) og mørk energi (Lambda). Både stof og mørk energi former, hvordan universet udvider sig - men på modsatte måder. Stof og mørkt stof bremser udvidelsen, mens mørk energi fremskynder den. Mængden af ​​hver påvirker, hvordan vores univers udvikler sig. Denne model gør et godt stykke arbejde med at beskrive resultater fra tidligere eksperimenter, og hvordan universet ser ud gennem tiden.

Men når DESI's førsteårsresultater kombineres med data fra andre undersøgelser, er der nogle subtile forskelle i forhold til, hvad Lambda CDM ville forudsige. Efterhånden som DESI indsamler mere information i løbet af sin femårige undersøgelse, vil disse tidlige resultater blive mere præcise og kaste lys over, om dataene peger på forskellige forklaringer på de resultater, vi observerer, eller behovet for at opdatere vores model.

Flere data vil også forbedre DESI's andre tidlige resultater, som vejer ind på Hubble-konstanten (et mål for, hvor hurtigt universet udvider sig i dag) og massen af ​​partikler kaldet neutrinoer.

"Intet spektroskopisk eksperiment har haft så mange data før, og vi fortsætter med at indsamle data fra mere end en million galakser hver måned," sagde Nathalie Palanque-Delabrouille, en Berkeley Lab-forsker og medtalsmand for eksperimentet.

"Det er forbløffende, at vi med kun vores første års data allerede kan måle ekspansionshistorien for vores univers på syv forskellige stykker af kosmisk tid, hver med en præcision på 1 til 3%. Holdet har lagt et enormt arbejde i at redegøre for instrumentelle og teoretiske modelleringsforviklinger, hvilket giver os tillid til robustheden af ​​vores første resultater."

DESI's samlede præcision på ekspansionshistorien gennem alle 11 milliarder år er 0,5 %, og den fjerneste epoke, der dækker 8-11 milliarder år i fortiden, har en rekordhøj præcision på 0,82 %. Den måling af vores unge univers er utrolig svær at lave.

Alligevel er DESI inden for et år blevet dobbelt så stærk til at måle udvidelseshistorien på disse tidlige tidspunkter som sin forgænger (Sloan Digital Sky Survey's BOSS/eBOSS), hvilket tog mere end et årti.

"Vi er glade for at se kosmologiske resultater fra DESIs første driftsår," sagde Gina Rameika, associeret direktør for højenergifysik hos DOE. "DESI fortsætter med at forbløffe os med sin stjernepræstation og er allerede ved at forme vores forståelse af universet."

Rejs tilbage i tiden

DESI er et internationalt samarbejde mellem mere end 900 forskere fra over 70 institutioner rundt om i verden. Instrumentet sidder på toppen af ​​U.S. National Science Foundations Nicholas U. Mayall 4-meter teleskop ved Kitt Peak National Observatory, et program fra NSF's NOIRLab.

Når man ser på DESI's kort, er det nemt at se universets underliggende struktur:Galaksestrenge klynget sammen, adskilt af hulrum med færre objekter. Vores meget tidlige univers, langt ud over DESIs opfattelse, var ganske anderledes:en varm, tæt suppe af subatomære partikler, der bevægede sig for hurtigt til at danne stabilt stof som de atomer, vi kender i dag. Blandt disse partikler var brint- og heliumkerner, samlet kaldet baryoner.

Små udsving i dette tidlige ioniserede plasma forårsagede trykbølger, der flyttede baryonerne ind i et mønster af krusninger, der ligner det, du ville se, hvis du kastede en håndfuld grus i en dam. Efterhånden som universet udvidede sig og afkølede, dannede der sig neutrale atomer, og trykbølgerne stoppede, hvilket fryser krusningerne i tre dimensioner og øgede klynger af fremtidige galakser i de tætte områder.

Milliarder af år senere kan vi stadig se dette svage mønster af 3D-bølger eller bobler i den karakteristiske adskillelse af galakser - en funktion kaldet Baryon Acoustic Oscillations (BAO'er).

Forskere bruger BAO-målingerne som en kosmisk lineal. Ved at måle den tilsyneladende størrelse af disse bobler kan de bestemme afstande til det stof, der er ansvarligt for dette ekstremt svage mønster på himlen. Kortlægning af BAO-boblerne både nær og fjern lader forskerne opdele dataene i bidder, måle, hvor hurtigt universet udvidede sig på hvert tidspunkt i sin fortid, og modellere, hvordan mørk energi påvirker denne ekspansion.

"Vi har målt ekspansionshistorien over dette enorme område af kosmisk tid med en præcision, der overgår alle de tidligere BAO-undersøgelser tilsammen," sagde Hee-Jong Seo, professor ved Ohio University og medlederen af ​​DESI's BAO-analyse. "Vi er meget spændte på at lære, hvordan disse nye målinger vil forbedre og ændre vores forståelse af kosmos. Mennesker har en tidløs fascination af vores univers og ønsker at vide både, hvad det er lavet af, og hvad der vil ske med det."

At bruge galakser til at måle ekspansionshistorien og bedre forstå mørk energi er én teknik, men den kan kun nå så langt. På et vist tidspunkt er lyset fra typiske galakser for svagt, så forskerne vender sig til kvasarer, ekstremt fjerne, lyse galaktiske kerner med sorte huller i deres centre. Lys fra kvasarer absorberes, når det passerer gennem intergalaktiske gasskyer, hvilket gør det muligt for forskere at kortlægge lommerne af tæt stof og bruge dem på samme måde, som de bruger galakser – en teknik kendt som at bruge "Lyman-alpha-skoven."

"Vi bruger kvasarer som baggrundslys til grundlæggende at se skyggen af ​​den mellemliggende gas mellem kvasarerne og os," sagde Andreu Font-Ribera, en videnskabsmand ved Instituttet for Højenergifysik (IFAE) i Spanien, som er medleder i DESI's Lyman- alfa skov analyse. "Det lader os se længere ud til, da universet var meget ungt. Det er en virkelig svær måling at foretage, og meget fedt at se det lykkes."

Forskere brugte 450.000 kvasarer, det største sæt nogensinde indsamlet til disse Lyman-alpha-skovmålinger, til at udvide deres BAO-målinger helt ud til 11 milliarder år tidligere. Ved afslutningen af ​​undersøgelsen planlægger DESI at kortlægge 3 millioner kvasarer og 37 millioner galakser.

State-of-the-art videnskab

DESI er det første spektroskopiske eksperiment, der udfører en fuldstændig "blind analyse", som skjuler det sande resultat for forskerne for at undgå enhver underbevidst bekræftelsesbias. Forskere arbejder i mørke med modificerede data og skriver koden for at analysere deres resultater. Når alt er afsluttet, anvender de deres analyse på de originale data for at afsløre det faktiske svar.

"Den måde, vi lavede analysen på, giver os tillid til vores resultater, og især til at vise, at Lyman-alpha-skoven er et kraftfuldt værktøj til at måle universets ekspansion," sagde Julien Guy, en videnskabsmand ved Berkeley Lab og medleder for behandling af information fra DESI's spektrografer.

"Det datasæt, vi indsamler, er enestående, og det samme gælder den hastighed, hvormed vi indsamler det. Dette er den mest præcise måling, jeg nogensinde har foretaget i mit liv."

DESI's data vil blive brugt til at supplere fremtidige himmelundersøgelser såsom Vera C. Rubin Observatory og Nancy Grace Roman Space Telescope og til at forberede en potentiel opgradering til DESI (DESI-II), som blev anbefalet i en nylig rapport fra U.S. Particle Panel for prioritering af fysikprojekter.

"Vi befinder os i kosmologiens gyldne æra, med storskalaundersøgelser, der er i gang og ved at blive startet, og nye teknikker bliver udviklet for at udnytte disse datasæt bedst muligt," siger Arnaud de Mattia, en forsker ved French Alternative Energies og Atomic Energy Commission (CEA) og medleder af DESI's gruppe, der fortolker de kosmologiske data.

"Vi er alle virkelig motiverede for at se, om nye data vil bekræfte de funktioner, vi så i vores første års prøve og opbygge en bedre forståelse af dynamikken i vores univers."

Flere oplysninger: DESI Year 1-papirerne er tilgængelige på DESI-webstedet:https://data.desi.lbl.gov/doc/papers/

Journaloplysninger: arXiv

Leveret af Lawrence Berkeley National Laboratory