DESI tworzy największą trójwymiarową mapę wszechświata

przyrząd do spektroskopii ciemnej energiiDESI) zakończył pierwsze siedem miesięcy swojego przeglądu, rozbijając wszystkie poprzednie zapisy przeglądów galaktyk 3D, tworząc największą i najbardziej szczegółową mapę Wszechświata, jaką kiedykolwiek stworzono. Jednak podczas swojej pięcioletniej misji zbliża się tylko do 10% drogi. Po ukończeniu ta niezwykle szczegółowa mapa 3D umożliwi lepsze zrozumienie ciemnej energii, dając w ten sposób fizykom i astronomom lepsze zrozumienie przeszłości i przyszłości Wszechświata. Tymczasem niesamowita wydajność techniczna i kosmiczne osiągnięcia dotychczasowego przeglądu pomagają naukowcom odkrywać tajemnice najpotężniejszych źródeł światła we wszechświecie.

DESI to międzynarodowa współpraca naukowa zarządzana przez Laboratorium Narodowe Lawrence Berkeley Departamentu Energii (Laboratorium Berkeley) z finansowaniem zalążkowym na budowę i eksploatację z Biura Naukowego Departamentu Energii.

Naukowcy z DESI prezentują w tym tygodniu działanie instrumentu i niektóre wczesne wyniki astrofizyki na seminarium internetowym prowadzonym przez Berkeley Lab o nazwie CosmoPalooza, które będzie również zawierało aktualizacje z innych pionierskich eksperymentów kosmologicznych.

„Jest w tym dużo piękna”, powiedział Julian Gay, naukowiec z Berkeley Lab, jeden z prelegentów. „W rozmieszczeniu galaktyk na mapie 3D znajdują się masywne gromady, włókna i puste przestrzenie. Są to największe struktury we wszechświecie. Ale w nich znajduje się odcisk bardzo wczesnego Wszechświata i historia jego ekspansji od tamtej pory.”

DESI przeszło długą drogę, aby dojść do tego punktu. Zostało ono pierwotnie zaproponowane ponad dekadę temu, a budowę urządzenia rozpoczęto w 2015 roku. Jest ono zainstalowane w 4-metrowym Teleskopie Nicholasa U Maywella w Obserwatorium Kate Summit niedaleko Tucson w Arizonie. Kitt Peak National Observatory to program NOIRLab Narodowej Fundacji Nauki (NSF), któremu Departament Energii zleca obsługę Teleskopu Mayall na potrzeby badania DESI. Instrument ujrzał swoje pierwsze światło pod koniec 2019 roku. Następnie, w fazie walidacji, wybuchła pandemia koronawirusa, a teleskop wyłączył się na kilka miesięcy, chociaż kontynuowano pewne prace zdalne. W grudniu 2020 r. DESI ponownie skierowało swój celownik ku niebu, przetestowało swój sprzęt i oprogramowanie, a do maja 2021 r. było gotowe do rozpoczęcia badań naukowych.

Przesuwaj się przez trójwymiarową mapę galaktyk z ukończonego przeglądu Sloan Digital Sky Survey.

Wycinek trójwymiarowej mapy galaktyk z pierwszych kilku miesięcy spektroskopii ciemnej energii (DESI; po prawej). Ziemia znajduje się w centrum, a najdalsze galaktyki oddalone są od niej o ponad 10 miliardów lat świetlnych. Każdy punkt reprezentuje jedną galaktykę. Ten dwuwymiarowy wycinek mapy 3D DESI pokazuje tylko około 800 000 z 7,5 miliona obecnie skanowanych galaktyk, co samo w sobie stanowi zaledwie ułamek z 35 milionów galaktyk, które znajdą się na ostatecznej mapie. Źródło: D. Schlegel/Berkeley Lab przy użyciu danych z DESI

Jednak prace nad samym DESI nie zostały zakończone wraz z rozpoczęciem ankiety. „Trwają prace nad uruchomieniem tego narzędzia” – powiedział Klaus Hünscheid, fizyk z Ohio State University, inżynier zajmujący się maszynami zaangażowany w projekt, który przedstawi pierwszy artykuł z sesji CosmoPalooza DESI. Honscheid i jego zespół zapewniają, że narzędzie działa płynnie i automatycznie, najlepiej bez żadnych zakłóceń podczas monitorowania w nocy. „Informacje zwrotne, które otrzymuję od nocnych obserwatorów, są takie, że zmiany są nudne i traktuję to jako komplement” – powiedział.

Jednak ta monotonna przepustowość wymaga niezwykle szczegółowej kontroli każdego z 5000 wyrafinowanych robotów, które umieszczają włókna światłowodowe na instrumencie DESI, zapewniając dokładność ich pozycji z dokładnością do 10 mikronów. „Dziesięć mikronów to bardzo małe” – powiedział Honshed. „To mniej niż grubość ludzkiego włosa. I musisz umieścić każdego robota w celu zbierania światła z galaktyk oddalonych o miliardy lat świetlnych. Za każdym razem, gdy myślę o tym systemie, zastanawiam się, jak możemy go osiągnąć? Sukces DESI jako narzędzia jest powodem do dumy.”

Widząc prawdziwe kolory ciemnej energii

Ten poziom zdrowie Jest to wymagane do wypełnienia głównej misji przeglądu: zebrania szczegółowych obrazów w spektrum kolorów milionów galaktyk na ponad jednej trzeciej całego nieba. Rozbijając światło z każdej galaktyki na ich spektrum kolorów, DESI może określić ilościowo przesunięcie światła ku czerwieni — rozciągnięte w kierunku czerwonego końca spektrum przez rozszerzanie się wszechświata w ciągu miliardów lat, które przebył, zanim dotarł do Ziemi. To właśnie te przesunięcia ku czerwieni sprawiają, że DESI widzi głębię nieba.

Im większe przesunięcie ku czerwieni widma galaktyki ogólnie, tym dalej jest od niego. Dysponując trójwymiarową mapą Wszechświata, fizycy mogą mapować gromady i supergromady galaktyk. Struktury te niosą echa ich początkowej formacji, kiedy były tylko falami we wszechświecie niemowlęcym. Wyzwalając te echa, fizycy mogą wykorzystać dane DESI do określenia historii ekspansji wszechświata.

Nowy kwazar odkryty za pomocą DESI daje wgląd we Wszechświat sprzed prawie 13 miliardów lat, mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu. Jest to najbardziej odległy kwazar DESI wykryty do tej pory, spośród wybranych kwazarów DESI o bardzo dużym przesunięciu ku czerwieni. Tło pokazuje ten kwazar i jego otoczenie w badaniach DESI Legacy Photogrametry Surveys. Źródło: Jenny Yang, Obserwatorium Stewarda/Uniwersytet Arizona

Naszym celem naukowym jest zmierzenie odcisku palca fal w pierwotnym osoczePowiedział facet. „To zdumiewające, że możemy faktycznie wykryć efekt tych fal po miliardach lat i tak szybko w naszym badaniu”.

Zrozumienie historii ekspansji jest kluczowe, ponieważ w grę wchodzi los całego wszechświata. Obecnie około 70% zawartości Wszechświata to ciemna energia, tajemnicza forma energii, która przyspiesza ekspansję Wszechświata. W miarę rozszerzania się wszechświata pojawia się więcej ciemnej energii, jeszcze bardziej przyspieszając ekspansję w cyklu, który kieruje część ciemnej energii we wszechświecie w górę. Ciemna energia ostatecznie zadecyduje o losie wszechświata: czy będzie się on rozszerzać w nieskończoność? Czy znowu zapadnie się w siebie, w wielka eksplozja wstecz? A może się rozerwie? Odpowiadając na te pytania, musisz dowiedzieć się więcej o tym, jak ciemna energia zachowywała się w przeszłości – i właśnie do tego zaprojektowano DESI. Porównując historię ekspansji z historią wzrostu, kosmolodzy mogą zweryfikować, czy ogólna teoria względności Einsteina wytrzymuje te ogromne przestrzenie i czasy.

Czarne dziury i jasne galaktyki

Jednak zrozumienie losu wszechświata musi poczekać, aż DESI zakończy dalsze badania. Tymczasem DESI już dokonuje przełomów w naszym zrozumieniu odległej przeszłości, ponad 10 miliardów lat temu, kiedy galaktyki były jeszcze młode.

„To naprawdę niesamowite” – powiedziała Ragadeepika Pucha, absolwentka astronomii na Uniwersytecie Arizony, pracująca nad DESI. „DESI opowie nam więcej o fizyce powstawania i ewolucji galaktyk”.

Pucha i jej koledzy wykorzystują dane DESI do zrozumienia zachowania czarnych dziur o średniej masie w małych galaktykach. Uważa się, że supermasywne czarne dziury zamieszkują serce prawie każdej dużej galaktyki, takiej jak nasza droga Mleczna. Ale czy małe galaktyki zawsze mają swoje (mniejsze) czarne dziury w swoich jądrach. Same czarne dziury byłyby prawie niemożliwe do znalezienia, ale jeśli przyciągną wystarczającą ilość materiału, staną się łatwiejsze do wykrycia. Gdy gaz, kurz i inne materiały wpadną do środka Czarna dziura W miarę nagrzewania się (do temperatur powyżej jądra gwiazdy) w drodze w głąb lądu, tworzy się aktywne jądro galaktyczne (AGN). W dużych galaktykach aktywne jądra galaktyk należą do najjaśniejszych obiektów w znanym wszechświecie. Jednak w mniejszych galaktykach AGN mogą być znacznie słabsze i trudne do odróżnienia od nowonarodzonych gwiazd. Widma uchwycone przez DESI mogą pomóc w rozwiązaniu tego problemu – a to, jak daleko rozprzestrzeniły się na niebie, dostarczy więcej informacji o jądrach młodych galaktyk niż kiedykolwiek wcześniej. Te rdzenie z kolei dostarczą naukowcom wskazówek na temat powstawania AGN we wczesnym wszechświecie.

Kwazary – zróżnicowana grupa jasnych galaktyk – należą do najjaśniejszych i najbardziej odległych obiektów. „Lubię myśleć o nich jak o latarniach, patrząc wstecz na historię wszechświata” – powiedziała Victoria Fawcett, absolwentka astronomii na Uniwersytecie Durham w Wielkiej Brytanii. Kwazary są doskonałymi sondami wczesnego Wszechświata ze względu na ich czystą moc. Dane DESI cofną się w czasie o 11 miliardów lat.

Fawcett i jej koledzy wykorzystują dane DESI, aby zrozumieć ewolucję samych kwazarów. Uważa się, że kwazary zaczynają otoczone otoczką pyłu, który czerwieni emitowane przez nie światło, jak słońce przez mgłę. Wraz z wiekiem wydalają ten pył i stają się bardziej niebieskie. Ale ta teoria była trudna do przetestowania ze względu na niedostatek danych na temat czerwonych kwazarów. DESI zmienia się, ponieważ znaleziono więcej kwazarów niż w jakimkolwiek poprzednim badaniu, z 2,4 miliona kwazarów oczekiwanych w ostatecznych danych z badania.

„DESI jest naprawdę świetne, ponieważ wyłapuje rzeczy słabsze i bardziej czerwone” – powiedział Fawcett. Dodaje, że pozwala to naukowcom testować pomysły dotyczące ewolucji kwazarów, których wcześniej nie można było przetestować. I to nie ogranicza się tylko do kwazarów. „Znaleźliśmy bardzo dużą liczbę egzotycznych systemów, w tym duże próbki rzadkich rzeczy, których wcześniej nie byliśmy w stanie szczegółowo zbadać” – powiedział Fawcett.

Jeszcze więcej DESI. Przegląd skatalogował już ponad 7,5 miliona galaktyk i dodaje ich więcej w tempie ponad miliona galaktyk miesięcznie. Tylko w listopadzie 2021 roku DESI skatalogowało przesunięcia ku czerwieni 2,5 miliona galaktyk. Oczekuje się, że do końca swojej działalności w 2026 roku DESI będzie mieć w swoim katalogu ponad 35 milionów galaktyk, co umożliwi szeroki wachlarz badań kosmologicznych i astrofizycznych.

„Wszystkie te dane po prostu tam są i tylko czekają na analizę” – powiedział Bucha. „A wtedy znajdziemy wiele niesamowitych rzeczy o galaktykach. Dla mnie to ekscytujące”.

DESI jest wspierany przez Biuro Nauki Departamentu Energii oraz Narodowe Centrum Informatyki Badań Energetycznych, placówkę użytkownika Biura Nauki Departamentu Energii. Dodatkowe wsparcie dla DESI jest udzielane przez amerykańską Narodową Fundację Nauki, brytyjską Radę ds. Obiektów Naukowych i Technologicznych, Fundację Gordona i Betty Moore, Fundację Heising-Simons, francuską Komisję ds. Alternatywy i Energii Atomowej (CEA), Narodową Komisję ds. Nauki i Energii Atomowej (CEA). Rada Technologiczna Meksyku, Ministerstwo Gospodarki Hiszpanii, instytucje członkowskie DESI.

DESI Collaboration ma zaszczyt umożliwić mu prowadzenie badań naukowych na Mount Iolkam Du’ag (Szczyt Kitt), górze szczególnie interesującej dla narodu Tohono O’odham.