DESI creează cea mai mare hartă 3D a universului

instrument de spectroscopie de energie întunecatăDESI) a încheiat primele șapte luni ale sondajului său prin distrugerea tuturor înregistrărilor anterioare ale studiilor 3D ale galaxiilor, creând cea mai mare și mai detaliată hartă a universului realizată vreodată. Cu toate acestea, se apropie doar de 10% din drum în timpul misiunii sale de cinci ani. Odată finalizată, această hartă 3D foarte detaliată va produce o mai bună înțelegere a energiei întunecate, oferind astfel fizicienilor și astronomilor o mai bună înțelegere a trecutului și viitorului universului. Între timp, performanța tehnică uimitoare și realizările cosmice ale sondajului de până acum îi ajută pe oamenii de știință să dezvăluie secretele celor mai puternice surse de lumină din univers.

DESI este o colaborare științifică internațională gestionată de Laboratorul Național Lawrence Berkeley al Departamentului de Energie (Laboratorul Berkeley) cu finanțare de bază pentru construcție și operațiuni de la Biroul de Știință al Departamentului de Energie.

Oamenii de știință DESI prezintă performanța instrumentului și câteva rezultate timpurii din astrofizică, săptămâna aceasta, la un webinar găzduit de Berkeley Lab numit CosmoPalooza, care va include și actualizări de la alte experimente cosmologice de pionierat.

„Este multă frumusețe în ea”, a spus Julian Gay, un om de știință din Berkeley Lab, unul dintre vorbitori. „În distribuția galaxiilor pe harta 3D, există grupuri masive, filamente și goluri. Sunt cele mai mari structuri din univers. Dar în ele, găsiți o amprentă a universului foarte timpuriu și istoria expansiunii sale. de atunci.”

DESI a parcurs un drum lung pentru a ajunge la acest punct. A fost propus inițial în urmă cu mai bine de un deceniu, iar construcția dispozitivului a început în 2015. Este instalat în telescopul Nicholas U Maywell de 4 metri de la Observatorul Kate Summit de lângă Tucson, Arizona. Observatorul Național Kitt Peak este un program al NOIRLab al Fundației Naționale de Știință (NSF), pe care Departamentul de Energie îl contractă să opereze telescopul Mayall pentru sondajul DESI. Instrumentul a văzut prima lumină la sfârșitul anului 2019. Apoi, în timpul fazei de validare, pandemia de coronavirus a lovit, iar telescopul s-a oprit timp de câteva luni, deși au continuat unele lucrări de la distanță. În decembrie 2020, DESI și-a îndreptat din nou privirea către cer, și-a testat hardware-ul și software-ul și, până în mai 2021, era gata să înceapă sondajul științific.

Glisați prin harta 3D a galaxiilor din sondajul Sloan Digital Sky Survey.

O felie peste harta 3D a galaxiilor din primele luni ale Spectroscopiei Energiei Întunecate (DESI; dreapta). Pământul este situat în centru, iar cele mai îndepărtate galaxii sunt la mai mult de 10 miliarde de ani lumină depărtare de el. Fiecare punct reprezintă o galaxie. Această porțiune 2D a hărții 3D DESI arată doar aproximativ 800.000 din cele 7,5 milioane de galaxii scanate în prezent, ceea ce este doar o fracțiune din cele 35 de milioane de galaxii care vor fi pe harta finală. Credit: D. Schlegel/Berkeley Lab folosind date de la DESI

Dar munca la DESI în sine nu a fost terminată odată ce a început sondajul. „Este în curs de desfășurare pentru ca acest instrument să funcționeze”, a declarat fizicianul de la Universitatea de Stat din Ohio, Klaus Hünscheid, un om de știință implicat în proiect, care va prezenta prima lucrare din sesiunea CosmoPalooza DESI. Honscheid și echipa sa se asigură că instrumentul funcționează fără probleme și automat, în mod ideal fără interferențe în timpul monitorizării pe timp de noapte. „Feedback-ul pe care îl primesc de la observatorii de noapte este că turele sunt plictisitoare și îl iau ca pe un compliment”, a spus el.

Dar această capacitate monotonă necesită un control incredibil de detaliat al fiecăruia dintre cei 5.000 de roboți sofisticați care plasează fibrele optice pe instrumentul DESI, asigurându-se că pozițiile lor sunt precise cu 10 microni. „Zece microni sunt foarte mici”, a spus Honshed. „Este mai mică decât grosimea unui păr uman. Și trebuie să puneți fiecare robot pentru a colecta lumină din galaxiile aflate la miliarde de ani lumină distanță. De fiecare dată când mă gândesc la acest sistem, mă întreb cum îl putem realiza? Succesul DESI ca instrument este ceva de care să fim mândri.”

Văzând adevăratele culori ale energiei întunecate

Acest nivel de sănătate Este necesar pentru a îndeplini misiunea principală a sondajului: să colecteze imagini detaliate cu spectrul de culori ale milioanelor de galaxii pe mai mult de o treime din întregul cer. Prin împărțirea luminii din fiecare galaxie în spectrul lor de culori, DESI poate cuantifica deplasarea spre roșu a luminii – întinsă spre capătul roșu al spectrului prin expansiunea universului de-a lungul miliardelor de ani în care a călătorit înainte de a ajunge pe Pământ. Aceste schimbări spre roșu îl fac pe DESI să vadă adâncimea cerului.

Cu cât este mai mare deplasarea spre roșu a spectrului galaxiei în general, cu atât este mai departe de aceasta. Cu o hartă 3D a universului în mână, fizicienii pot cartografi clustere și superclustere de galaxii. Aceste structuri poartă ecouri ale formării lor inițiale, când erau doar valuri în universul infantil. Prin declanșarea acestor ecouri, fizicienii pot folosi datele DESI pentru a determina istoria expansiunii universului.

Noul quasar descoperit cu DESI oferă o privire asupra universului așa cum a fost acum aproape 13 miliarde de ani, la mai puțin de un miliard de ani după Big Bang. Acesta este cel mai îndepărtat quasar DESI detectat până acum, dintr-o selecție de quasar DESI cu deplasare spre roșu extrem de mare. Fundalul arată acest quasar și împrejurimile sale în sondajele de fotogrammetrie moștenire DESI. Credit: Jenny Yang, Observatorul Steward/Universitatea din Arizona

Scopul nostru științific este de a măsura amprenta undelor din primordial plasmăspuse Guy. „Este uimitor că putem detecta efectiv efectul acestor valuri după miliarde de ani și atât de repede în sondajul nostru”.

Înțelegerea istoriei expansiunii este crucială, deoarece este în joc nimic mai puțin decât soarta întregului univers. Astăzi, aproximativ 70% din conținutul universului este energie întunecată, o formă misterioasă de energie care conduce expansiunea universului mai rapid. Pe măsură ce universul se extinde, apare mai multă energie întunecată, accelerând expansiunea și mai mult, într-un ciclu care conduce în sus o parte a energiei întunecate din univers. Energia întunecată va determina în cele din urmă soarta universului: se va extinde pentru totdeauna? Se va prăbuși din nou în sine, în? marea explozie înapoi? Sau se va sfâșie? Răspunsul la aceste întrebări înseamnă a afla mai multe despre modul în care s-a comportat energia întunecată în trecut – și exact pentru asta a fost conceput DESI. Și comparând istoria expansiunii cu istoria creșterii, cosmologii pot verifica dacă teoria relativității generale a lui Einstein se menține pe aceste întinderi enorme de spațiu și timp.

Găuri negre și galaxii strălucitoare

Dar înțelegerea destinului universului trebuie să aștepte până când DESI își finalizează mai mult sondajul. Între timp, DESI conduce deja descoperiri în înțelegerea noastră a trecutului îndepărtat, cu peste 10 miliarde de ani în urmă, când galaxiile erau încă tinere.

„Este cu adevărat uimitor”, a spus Ragadeepika Pucha, un student absolvent în astronomie la Universitatea din Arizona, care lucrează la DESI. „DESI ne va spune mai multe despre fizica formării și evoluției galaxiilor”.

Pucha și colegii ei folosesc datele DESI pentru a înțelege comportamentul găurilor negre de masă medie din galaxiile mici. Se crede că găurile negre supermasive locuiesc în inima aproape a oricărei galaxii mari, precum a noastră calea Lactee. Dar dacă galaxiile mici au sau nu întotdeauna propriile lor găuri negre (mai mici) în nuclee. Găurile negre ar fi aproape imposibil de găsit de la sine – dar dacă atrag suficient material, vor deveni mai ușor de detectat. Când gaz, praf și alte materiale cad în Gaură neagră Pe măsură ce se încălzește (la temperaturi peste nucleul stelei) în drum spre interior, se formează un nucleu galactic activ (AGN). În galaxiile mari, nucleele galactice active sunt printre cele mai strălucitoare obiecte din universul cunoscut. Dar în galaxiile mai mici, AGN-urile pot fi mult mai slabe și greu de distins de stelele nou-născute. Spectrele capturate de DESI ar putea ajuta la rezolvarea acestei probleme – și cât de departe se răspândesc pe cer va oferi mai multe informații despre nucleele galaxiilor tinere decât oricând. Aceste nuclee, la rândul lor, vor oferi oamenilor de știință indicii despre modul în care s-au format AGN-urile în universul timpuriu.

Quasarurile – un grup divers de galaxii luminoase – sunt printre cele mai strălucitoare și mai îndepărtate obiecte. „Îmi place să mă gândesc la ele ca fiind niște stâlpi de iluminat, privind înapoi la istoria universului”, a spus Victoria Fawcett, studentă absolventă în astronomie la Universitatea Durham din Marea Britanie. Quazarii sunt sonde excelente ale universului timpuriu datorită puterii lor. Datele DESI se vor întoarce în timp cu 11 miliarde de ani.

Fawcett și colegii ei folosesc datele DESI pentru a înțelege evoluția quasarilor înșiși. Se crede că quasarii încep înconjurați de un plic de praf, care înroșește lumina pe care o emit, ca soarele prin ceață. Pe măsură ce îmbătrânesc, ei elimină acest praf și devin mai albaștri. Dar această teorie a fost dificil de testat, din cauza deficitului de date despre quasarii roșii. DESI modifică acest lucru, deoarece au fost găsiți mai mulți quasari decât orice studiu anterior, cu 2,4 milioane de quasari așteptați în datele finale ale anchetei.

„DESI este cu adevărat grozav pentru că preia lucruri care sunt mai slabe și mai roșii”, a spus Fawcett. Ea adaugă că acest lucru le permite oamenilor de știință să testeze idei despre evoluția quasarelor care nu au putut fi testate înainte. Și acest lucru nu se limitează doar la quasari. „Găsim un număr foarte mare de sisteme exotice, inclusiv mostre mari de lucruri rare pe care nu le-am putut studia în detaliu înainte”, a spus Fawcett.

Mai urmează DESI. Sondajul a catalogat deja peste 7,5 milioane de galaxii și adaugă mai multe cu o rată de peste un milion de galaxii pe lună. Numai în noiembrie 2021, DESI a catalogat deplasările spre roșu a 2,5 milioane de galaxii. Până la sfârșitul funcționării sale în 2026, DESI este de așteptat să aibă peste 35 de milioane de galaxii în catalogul său, permițând o gamă largă de cercetări în cosmologie și astrofizică.

„Toate aceste date sunt doar acolo și așteaptă să fie analizate”, a spus Bucha. „Și apoi vom găsi o mulțime de lucruri uimitoare despre galaxii. Pentru mine, asta este incitant.”

DESI este susținut de Biroul de Știință al Departamentului de Energie și de Centrul Național de Calcul Științific pentru Cercetare Energetică, o facilitate pentru utilizatori a Biroului de Știință al Departamentului de Energie. Sprijin suplimentar pentru DESI este oferit de către Fundația Națională pentru Știință din SUA, Consiliul pentru Facilități pentru Știință și Tehnologie din Regatul Unit, Fundația Gordon și Betty Moore, Fundația Heising-Simons, Comisia Franceză pentru Energie Alternativă și Atomică (CEA), National Science și Consiliul Tehnologic din Mexic, Ministerul Economiei Spaniole, instituții membre DESI.

Colaborarea DESI are onoarea de a-i permite să efectueze cercetări științifice pe Muntele Iolkam Du’ag (Vârful Kitt), un munte de interes deosebit pentru națiunea Tohono O’odham.