Onderzoekers gebruiken het Dark Energy Spectroscopic Instrument om de grootste 3D-kaart van ons universum te maken

4 april 2024

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgen:

• feitelijk gecontroleerd
• vooraf geprinte versie
• betrouwbare bron
• gecorrigeerd

door Lawrence Berkeley National Laboratory

Met 5.000 minuscule robots in een telescoop op een bergtop kunnen onderzoekers 11 miljard jaar terugkijken in het verleden. Het licht van verafgelegen objecten in de ruimte bereikt pas nu het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), waardoor we ons universum kunnen in kaart brengen zoals het in zijn jeugd was en de groei ervan tot wat we vandaag zien kunnen traceren.

Het begrijpen hoe ons universum zich heeft ontwikkeld is verbonden aan hoe het eindigt, en aan een van de grootste mysteries in de fysica: donkere energie, het onbekende ingrediënt dat ons universum steeds sneller doet uitdijen.

Om de effecten van donkere energie gedurende de laatste 11 miljard jaar te bestuderen, heeft DESI de grootste 3D-kaart van ons universum ooit gemaakt, met de meest precieze metingen tot nu toe. Dit is de eerste keer dat wetenschappers de expansiegeschiedenis van het jonge universum hebben gemeten met een precisie beter dan 1%, waardoor we onze beste blik tot nu toe hebben op hoe het universum evolueerde.

Onderzoekers deelden de analyse van hun eerste jaar aan verzamelde gegevens in meerdere papers die vandaag op de arXiv pre-print server zullen worden gepost en in presentaties bij de American Physical Society bijeenkomst in de Verenigde Staten en de Rencontres de Moriond in Italië.

'We zijn ongelooflijk trots op de gegevens, die wereldleidende kosmologie resultaten hebben opgeleverd en de eerste zijn die uit de nieuwe generatie van donkere energie experimenten komen,' zei Michael Levi, DESI directeur en een wetenschapper bij het Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), dat het project beheert.

'Tot nu toe zien we overeenkomst met ons beste model van het universum, maar we zien ook enkele potentieel interessante verschillen die zouden kunnen aangeven dat donkere energie evolueert met de tijd. Die kunnen al dan niet verdwijnen met meer gegevens, dus we kijken ernaar uit om binnenkort onze dataset van drie jaar te beginnen analyseren.'

Ons leidende model van het universum staat bekend als Lambda CDM. Het omvat zowel een zwak interagerend type materie (koude donkere materie, of CDM) en donkere energie (Lambda). Zowel materie als donkere energie vormen hoe het universum uitdijt - maar op tegenovergestelde manieren. Materie en donkere materie vertragen de expansie, terwijl donkere energie deze versnelt. De hoeveelheid van elk beïnvloedt hoe ons universum evolueert. Dit model doet het goed bij het beschrijven van resultaten uit eerdere experimenten en hoe het universum er doorheen de tijd uitziet.

Echter, wanneer de resultaten van het eerste jaar van DESI worden gecombineerd met gegevens uit andere studies, zijn er enkele subtiele verschillen met wat Lambda CDM zou voorspellen. Naarmate DESI meer informatie verzamelt tijdens zijn vijfjarig onderzoek, zullen deze vroege resultaten nauwkeuriger worden, waarbij licht wordt geworpen op de vraag of de gegevens wijzen op verschillende verklaringen voor de resultaten die we observeren of de noodzaak om ons model bij te werken.

Meer gegevens zullen ook de andere vroege resultaten van DESI verbeteren, die betrekking hebben op de Hubble constante (een maat voor hoe snel het universum tegenwoordig uitdijt) en de massa van deeltjes genaamd neutrino's.

‘Geen enkel spectroscopisch experiment heeft ooit zoveel gegevens gehad en we blijven gegevens verzamelen van meer dan een miljoen sterrenstelsels elke maand,' zei Nathalie Palanque-Delabrouille, een wetenschapper van het Berkeley Lab en co-woordvoerder van het experiment.

'Het is verbazingwekkend dat we met slechts ons eerste jaar aan gegevens de expansiegeschiedenis van ons universum al op zeven verschillende momenten in de kosmische tijd kunnen meten, elk met een precisie van 1 tot 3%. Het team heeft enorm veel werk verzet om rekening te houden met instrumentele en theoretische modelleringsintricaties, wat ons vertrouwen geeft in de robuustheid van onze eerste resultaten.'

DESI's algehele precisie op de expansiegeschiedenis gedurende alle 11 miljard jaar is 0,5%, en het meest verre tijdperk, dat 8-11 miljard jaar in het verleden bestrijkt, heeft een recordprecisie van 0,82%. Die meting van ons jonge universum is ongelooflijk moeilijk te maken.

Maar binnen een jaar is DESI twee keer zo krachtig geworden in het meten van de expansiegeschiedenis op deze vroege tijden als zijn voorganger (de Sloan Digital Sky Survey's BOSS/eBOSS), dat meer dan een decennium duurde.

'We zijn verheugd om kosmologie resultaten te zien van DESI's eerste jaar van operaties,' zei Gina Rameika, associate director voor High Energy Physics bij DOE. 'DESI blijft ons verbazen met zijn stellaire prestaties en vormt al onze kennis van het universum.'

DESI is een internationale samenwerking van meer dan 900 onderzoekers van meer dan 70 instellingen over de hele wereld. Het instrument bevindt zich op de Nicholas U. Mayall 4-meter telescoop van de Amerikaanse National Science Foundation op Kitt Peak National Observatory, een programma van NSF's NOIRLab.

Als we naar de kaart van DESI kijken, is het gemakkelijk om de onderliggende structuur van het universum te zien: strengen van sterrenstelsels die samenklusteren, gescheiden door leegten met minder objecten. Ons zeer vroege universum, ver buiten het zicht van DESI, was heel anders: een hete, dichte soep van subatomaire deeltjes die te snel bewogen om stabiele materie te vormen, zoals de atomen die we vandaag kennen. Onder die deeltjes bevonden zich waterstof- en heliumkernen, gezamenlijk bekend als baryonen.

Kleine fluctuaties in dit vroege geïoniseerde plasma veroorzaakten drukgolven, die de baryonen in een patroon van rimpelingen bewogen dat lijkt op wat je zou zien als je een handvol grind in een vijver gooide. Terwijl het universum zich uitbreidde en afkoelde, vormden zich neutrale atomen en de drukgolven stopten, waardoor de rimpelingen in drie dimensies bevroren en de clustering van toekomstige sterrenstelsels in de dichte gebieden toenam.

Enkele miljarden jaren later kunnen we nog steeds dit vage patroon van 3D-rimpelingen, ofwel bellen, zien in de karakteristieke scheiding van sterrenstelsels - een eigenschap die Baryon Acoustic Oscillations (BAOs) wordt genoemd.

Onderzoekers gebruiken de BAO-metingen als een kosmische liniaal. Door de schijnbare grootte van deze bellen te meten, kunnen ze afstanden bepalen tot de materie die verantwoordelijk is voor dit uiterst vage patroon aan de hemel. Het in kaart brengen van de BAO-bellen, zowel dichtbij als ver weg, stelt onderzoekers in staat de gegevens in stukken te verdelen, meten hoe snel het universum uitdijde op elk moment in zijn verleden en modelleren hoe donkere energie die uitbreiding beïnvloedt.

'We hebben de uitbreidingsgeschiedenis over dit enorme bereik van kosmische tijd gemeten met een precisie die alle eerdere BAO-onderzoeken samen overtreft,' zei Hee-Jong Seo, professor aan de Ohio University en de co-leider van de BAO-analyse van DESI. 'We zijn erg enthousiast om te leren hoe deze nieuwe metingen ons begrip van het universum zullen verbeteren en veranderen. Mensen hebben een tijdloze fascinatie voor ons universum, en willen weten waar het van gemaakt is en wat er mee zal gebeuren.'

Het gebruik van sterrenstelsels om de uitbreidingsgeschiedenis te meten en donkere energie beter te begrijpen is één techniek, maar die kan maar tot een bepaald punt reiken. Op een gegeven moment is het licht van typische sterrenstelsels te zwak, dus onderzoekers wenden zich tot quasars, extreem verre, heldere galactische kernen met zwarte gaten in hun centra. Het licht van quasars wordt geabsorbeerd terwijl het door intergalactische gaswolken gaat, waardoor onderzoekers de zakken van dicht materie in kaart kunnen brengen en ze op dezelfde manier kunnen gebruiken als ze sterrenstelsels gebruiken - een techniek die bekend staat als het gebruik van het 'Lyman-alfa bos'.

'We gebruiken quasars als een achtergrondlicht om in feite de schaduw van het tussenliggende gas tussen de quasars en ons te zien,' zei Andreu Font-Ribera, een wetenschapper bij het Instituut voor Hoge-Energiefysica (IFAE) in Spanje, die de Lyman-alfa bosanalyse van DESI leidt. 'Het stelt ons in staat om verder te kijken naar toen het universum heel jong was. Het is een heel moeilijke meting om te doen, en heel gaaf om het te zien slagen.'

Onderzoekers gebruikten 450.000 quasars, de grootste set ooit verzameld voor deze Lyman-alpha bos-metingen, om hun BAO-metingen helemaal tot 11 miljard jaar in het verleden uit te breiden. Tegen het einde van het onderzoek, is DESI van plan om 3 miljoen quasars en 37 miljoen sterrenstelsels in kaart te brengen.

State-of-the-art wetenschap

DESI is het eerste spectroscopische experiment dat een volledig 'blinde analyse' uitvoert, die het ware resultaat voor de wetenschappers verbergt om eventuele onbewuste bevestigingsvoorkeuren te vermijden. Onderzoekers werken in het donker met gewijzigde gegevens, ze schrijven de code om hun bevindingen te analyseren. Zodra alles is afgerond, passen ze hun analyse toe op de oorspronkelijke gegevens om het echte antwoord te onthullen.

'De manier waarop we de analyse hebben uitgevoerd geeft ons vertrouwen in onze resultaten, en met name in het aantonen dat het Lyman-alfa bos een krachtig instrument is voor het meten van de uitbreiding van het universum,' zei Julien Guy, een wetenschapper bij Berkeley Lab en de co-leider voor het verwerken van informatie van DESI's spectrografen.

'De gegevensset die we verzamelen is uitzonderlijk, evenals de snelheid waarmee we deze verzamelen. Dit is de meest nauwkeurige meting die ik ooit in mijn leven heb gedaan.'

DESI's gegevens zullen worden gebruikt om toekomstige luchtonderzoeken zoals de Vera C. Rubin Observatorium en Nancy Grace Roman Space Telescope te complementeren, en ter voorbereiding op een mogelijke upgrade naar DESI (DESI-II) die werd aanbevolen in een recent rapport van de Amerikaanse Particle Physics Project Prioritization Panel.

'We zitten in het gouden tijdperk van de kosmologie, met grootschalige onderzoeken die aan de gang zijn en op het punt staan te beginnen, en er worden nieuwe technieken ontwikkeld om deze datasets zo goed mogelijk te gebruiken,' zei Arnaud de Mattia, een onderzoeker bij de Franse Commissie voor Alternatieve Energietica en Atoomenergie (CEA) en co-leider van de groep van DESI die de kosmologische gegevens interpreteert.

'We zijn allemaal echt gemotiveerd om te zien of nieuwe gegevens de kenmerken zullen bevestigen die we in onze eerstejaarssteekproef hebben gezien en een beter begrip van de dynamiek van ons universum zullen opbouwen.'

Journal information: arXiv

Provided by Lawrence Berkeley National Laboratory