Forscher verwenden das Dark Energy Spectroscopic Instrument, um die größte 3D-Karte unseres Universums zu erstellen

4. April 2024

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vom Lawrence Berkeley National Laboratory

Mit 5.000 winzigen Robotern in einem Teleskop auf einem Berggipfel können Forscher 11 Milliarden Jahre in die Vergangenheit blicken. Das Licht von weit entfernten Objekten im Weltraum erreicht gerade jetzt das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), was es uns ermöglicht, unser Universum so zu kartieren, wie es in seiner Jugend war, und sein Wachstum bis zu dem, was wir heute sehen, nachzuverfolgen.

Das Verständnis davon, wie unser Universum sich entwickelt hat, hängt damit zusammen, wie es endet, und mit einem der größten Rätsel der Physik: Dunkle Energie, der unbekannte Bestandteil, der dazu führt, dass unser Universum sich immer schneller ausdehnt.

Um die Auswirkungen der dunklen Energie in den vergangenen 11 Milliarden Jahren zu untersuchen, hat DESI die größte 3D-Karte unseres Universums erstellt, die jemals erstellt wurde, mit den bislang genauesten Messungen. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler die Expansionsgeschichte des jungen Universums mit einer Genauigkeit von besser als 1% gemessen haben, was uns den bisher besten Einblick in die Entwicklung des Universums bietet.

Die Forscher teilten die Analyse ihrer im ersten Jahr gesammelten Daten in mehreren Papers, die heute auf dem arXiv Preprint-Server veröffentlicht werden und bei der Sitzung der American Physical Society in den USA und den Rencontres de Moriond in Italien vorgestellt werden.

'Wir sind unglaublich stolz auf die Daten, die weltweit führende kosmologische Ergebnisse erbracht haben und die ersten sind, die aus der neuen Generation von Dunkle-Energie-Experimenten hervorgegangen sind', sagte Michael Levi, DESI-Direktor und Wissenschaftler am Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), das das Projekt leitet.

'Bisher sehen wir eine grundsätzliche Übereinstimmung mit unserem besten Modell des Universums, aber wir sehen auch einige potenziell interessante Unterschiede, die darauf hindeuten könnten, dass die dunkle Energie sich mit der Zeit entwickelt. Ob diese Unterschiede mit mehr Daten verschwinden oder nicht, werden wir bald herausfinden, wenn wir mit der Analyse unserer dreijährigen Datensammlung beginnen.'

Unser führendes Modell des Universums ist als Lambda CDM bekannt. Es beinhaltet sowohl eine schwach wechselwirkende Art von Materie (kalte dunkle Materie oder CDM) als auch dunkle Energie (Lambda). Sowohl Materie als auch dunkle Energie beeinflussen, wie sich das Universum ausdehnt – aber auf entgegengesetzte Weise. Materie und dunkle Materie verlangsamen die Ausdehnung, während dunkle Energie sie beschleunigt. Die Menge jeder dieser Komponenten beeinflusst, wie unser Universum sich entwickelt. Dieses Modell beschreibt gut die Ergebnisse aus früheren Experimenten und das Aussehen des Universums im Laufe der Zeit.

Allerdings gibt es bei der Kombination der Ergebnisse des ersten Jahres von DESI mit Daten aus anderen Studien einige subtile Unterschiede zu dem, was Lambda CDM vorhersagen würde. Wenn DESI im Laufe seiner fünfjährigen Studie mehr Informationen sammelt, werden diese frühen Ergebnisse genauer und machen deutlich, ob die Daten auf verschiedene Erklärungen für die beobachteten Ergebnisse hinweisen oder ob unser Modell aktualisiert werden muss.

Mehr Daten werden auch die anderen frühen Ergebnisse von DESI verbessern, die sich auf die Hubble-Konstante (ein Maß dafür, wie schnell das Universum heute expandiert) und die Masse von Teilchen namens Neutrinos beziehen.

'Kein spektroskopisches Experiment hatte bisher so viele Daten, und wir sammeln weiterhin Daten von mehr als einer Million Galaxien jeden Monat', sagte Nathalie Palanque-Delabrouille, Wissenschaftlerin am Berkeley Lab und Co-Sprecherin für das Experiment.

'Es ist erstaunlich, dass wir bereits mit unseren Daten aus dem ersten Jahr die Expansionsgeschichte unseres Universums in sieben verschiedenen Zeitabschnitten messen können, jeweils mit einer Genauigkeit von 1 bis 3%. Das Team hat eine enorme Menge Arbeit aufgewendet, um instrumentelle und theoretische Modellierungsfeinheiten zu berücksichtigen, was uns Vertrauen in die Robustheit unserer ersten Ergebnisse gibt.'

Die übergeordnete Präzision von DESI bezüglich der Expansionsgeschichte über alle 11 Milliarden Jahre hinweg beträgt 0,5%, und die genaueste Messung der entferntesten Epoche, die 8-11 Milliarden Jahre in der Vergangenheit umfasst, hat eine rekordverdächtige Präzision von 0,82%. Diese Messung unseres jungen Universums ist unglaublich schwierig zu machen.

Dennoch ist DESI innerhalb eines Jahres doppelt so leistungsfähig bei der Messung der Expansionsgeschichte zu diesen frühen Zeiten geworden wie sein Vorgänger (die Sloan Digital Sky Survey's BOSS/eBOSS), die dafür mehr als ein Jahrzehnt benötigte.

'Wir freuen uns sehr über die kosmologischen Ergebnisse aus dem ersten Betriebsjahr von DESI', sagte Gina Rameika, stellvertretende Direktorin für Hochenergiephysik am DOE. 'DESI beeindruckt uns weiterhin mit seiner hervorragenden Leistung und prägt bereits unser Verständnis des Universums.'

DESI ist eine internationale Zusammenarbeit von mehr als 900 Forschern aus über 70 Institutionen weltweit. Das Instrument steht auf dem Nicholas U. Mayall 4-Meter-Teleskop der US-amerikanischen National Science Foundation am Kitt Peak National Observatory, einem Programm des NOIRLab der NSF.

Schaut man sich die Karte von DESI an, ist es leicht, die zugrunde liegende Struktur des Universums zu erkennen: Stränge aus Galaxien, die zusammenklumpen und durch Leerräume mit weniger Objekten voneinander getrennt sind. Unser sehr frühes Universum, weit jenseits der Sicht von DESI, war ganz anders: eine heiße, dichte Suppe aus subatomaren Teilchen, die zu schnell bewegten, um stabile Materie wie die Atome, die wir heute kennen, zu formieren. Zu diesen Teilchen gehörten Wasserstoff- und Heliumkerne, die kollektiv als Baryonen bezeichnet werden.

Kleine Schwankungen in diesem frühen ionisierten Plasma verursachten Druckwellen, die die Baryonen in ein Muster von Wellen bewegten, das ähnlich ist, wie man es sehen würde, wenn man eine Handvoll Kieselsteine in einen Teich wirft. Als das Universum sich ausbreitete und abkühlte, bildeten sich neutrale Atome und die Druckwellen hielten an, wodurch die Wellen in drei Dimensionen eingefroren wurden und die Häufung von zukünftigen Galaxien in den dichten Bereichen zunahm.

Milliarden von Jahren später können wir immer noch dieses schwache Muster von 3D-Wellen oder Blasen in der charakteristischen Trennung der Galaxien sehen - ein Merkmal, das als Baryon Acoustic Oscillations (BAOs) bezeichnet wird.

Wissenschaftler nutzen die BAO-Messungen als kosmischen Maßstab. Durch die Messung der scheinbaren Größe dieser Blasen können sie die Entfernungen zu der Materie bestimmen, die für dieses extrem schwache Muster am Himmel verantwortlich ist. Durch das Kartieren der BAO-Blasen in der Nähe und in der Ferne können die Forscher die Daten in Stücke teilen und messen, wie schnell das Universum sich in jeder Zeit seiner Vergangenheit ausdehnte, und modellieren, wie die dunkle Energie diese Expansion beeinflusst.

'Wir haben die Expansionsgeschichte über diesen riesigen Bereich der kosmischen Zeit mit einer Genauigkeit gemessen, die alle früheren BAO-Untersuchungen in den Schatten stellt,' sagte Hee-Jong Seo, Professorin an der Ohio University und Leiterin der BAO-Analyse von DESI. 'Es ist sehr aufregend zu sehen, wie diese neuen Messungen unser Verständnis vom Kosmos verbessern und verändern. Die Menschen sind seit jeher fasziniert von unserem Universum und wollen sowohl wissen, woraus es besteht, als auch was mit ihm geschehen wird.'

Galaxien zu nutzen um die Expansionsgeschichte besser zu verstehen und die dunkle Energie zu verstehen ist eine Technik, aber sie kann nur so weit reichen. Ab einem bestimmten Punkt ist das Licht von typischen Galaxien zu schwach, so dass Wissenschaftler sich an Quasare wenden, extrem entfernte, helle galaktische Kerne mit Schwarzen Löchern in ihren Zentren. Licht von Quasaren wird absorbiert, wenn es durch intergalaktische Gaswolken hindurchgeht, was Wissenschaftlern ermöglicht, die Taschen von dichter Materie zu kartieren und sie auf die gleiche Weise zu nutzen, wie sie Galaxien nutzen - eine Technik, die als 'Lyman-alpha-Wald' bezeichnet wird.

'Wir verwenden Quasare als Hintergrundbeleuchtung um im Grunde den Schatten des dazwischenliegenden Gases zwischen den Quasaren und uns zu sehen,' sagte Andreu Font-Ribera, Wissenschaftler am Institut für Hochenergiephysik (IFAE) in Spanien, der die Lyman-alpha-Wald-Analyse von DESI leitet. 'Es ermöglicht uns, weiter hinauszuschauen, auf eine Zeit, als das Universum sehr jung war. Es ist eine wirklich schwierige Messung, und es ist sehr cool zu sehen, dass sie gelingt.'

Die Forscher verwendeten 450.000 Quasare, die größte jemals für diese Lyman-alpha-Wald-Messungen gesammelte Menge, um ihre BAO-Messungen bis zu 11 Milliarden Jahre in die Vergangenheit auszuweiten. Bis zum Ende der Untersuchung plant DESI, 3 Millionen Quasare und 37 Millionen Galaxien zu kartieren.

Modernste Wissenschaft

DESI ist das erste spektroskopische Experiment, das eine vollständige 'blinde Analyse' durchführt, die das wahre Ergebnis vor den Wissenschaftlern verbirgt, um jeglichen unbewussten Bestätigungsfehler zu vermeiden. Forscher arbeiten im Dunkeln mit modifizierten Daten und schreiben den Code, um ihre Ergebnisse zu analysieren. Sobald alles festgelegt ist, wenden sie ihre Analyse auf die ursprünglichen Daten an, um die tatsächliche Antwort zu enthüllen.

'Die Art und Weise, wie wir die Analyse durchgeführt haben, gibt uns Vertrauen in unsere Ergebnisse und besonders darin, dass der Lyman-alpha-Wald ein leistungsfähiges Werkzeug zur Messung der Expansion des Universums ist,' sagte Julien Guy, Wissenschaftler am Berkeley Lab und Co-Leiter für die Verarbeitung von Informationen aus DESI's Spektrographen.

'Die Datensammlung, die wir durchführen, ist außergewöhnlich, wie auch die Geschwindigkeit, mit der wir sie durchführen. Dies ist die genaueste Messung, die ich jemals in meinem Leben gemacht habe.'

Die Daten von DESI werden genutzt, um zukünftige Himmelsbeobachtungen wie das Vera C. Rubin Observatorium und das Nancy Grace Roman Space Teleskop zu ergänzen und eine mögliche Aufwertung von DESI (DESI-II) vorzubereiten, die in einem kürzlich veröffentlichten Bericht des US-Particle Physics Project Prioritization Panel empfohlen wurde.

'Wir befinden uns in der goldenen Ära der Kosmologie, mit laufenden groß angelegten Untersuchungen und solchen, die gerade erst beginnen, und neuen Techniken, die entwickelt werden, um das Beste aus diesen Datensätzen herauszuholen,' sagte Arnaud de Mattia, Forscher bei der französischen Kommission für alternative Energien und Atomenergie (CEA) und Co-Leiter der Gruppe, die die kosmologischen Daten von DESI interpretiert.

'Wir sind alle sehr motiviert zu sehen, ob neue Daten die Merkmale bestätigen, die wir in unserer ersten Jahresprobe gesehen haben, und ein besseres Verständnis der Dynamik unseres Universums zu entwickeln.'

Journal information: arXiv

Provided by Lawrence Berkeley National Laboratory