Badacze korzystają z instrumentu do spektroskopii ciemnej energii, aby stworzyć największą 3D mapę naszego wszechświata.

4 kwietnia 2024

Ten artykuł został sprawdzony zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami Science X. Redaktorzy podkreślili następujące atrybuty podczas zapewniania wiarygodności treści:

• sprawdzone fakty
• wydruk przedpremierowy
• zaufane źródło
• skorygowano

przez Lawrence Berkeley National Laboratory

Dzięki 5 000 małych robotów w teleskopie na szczycie góry, naukowcy mogą spoglądać 11 miliardów lat wstecz. Światło od odległych obiektów w kosmosie dopiero teraz dociera do Instrumentu Spektroskopowego Ciemnej Energii (DESI), co pozwala nam na mapowanie naszego kosmosu, jakim był w swojej młodości, i śledzenie jego rozwoju do tego, co widzimy dzisiaj.

Zrozumienie, jak ewoluował nasz wszechświat, jest związane z tym, jak się kończy, i z jedną z największych tajemnic fizyki: ciemną energią, nieznanym składnikiem powodującym coraz szybsze rozszerzanie się naszego wszechświata.

Aby zbadać skutki ciemnej energii na przestrzeni ostatnich 11 miliardów lat, DESI stworzyło największą dotąd 3D mapę naszego kosmosu, z najbardziej precyzyjnymi pomiarami do tej pory. To pierwszy raz, gdy naukowcy mierzyli historię ekspansji młodego wszechświata z precyzją lepszą niż 1%, dając nam dotychczas najlepszy widok na ewolucję wszechświata.

Naukowcy podzielili się analizą danych zebranych w ciągu pierwszego roku w kilku artykułach, które zostaną opublikowane dzisiaj na serwerze przeddruków arXiv oraz podczas wystąpień na spotkaniu American Physical Society w Stanach Zjednoczonych i Rencontres de Moriond we Włoszech.

'Jesteśmy niesamowicie dumni z tych danych, które dały wyniki kosmologiczne na czołowym światowym poziomie i są pierwszymi, które wynikają z nowej generacji eksperymentów z ciemną energią,' powiedział Michael Levi, dyrektor DESI i naukowiec w Departamencie Energetyki Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), które zarządza projektem.

'Jak dotąd widzimy zasadniczą zgodność z naszym najlepszym modelem wszechświata, ale dostrzegamy również pewne potencjalnie interesujące różnice, które mogą wskazywać, że ciemna energia ewoluuje z czasem. Te różnice mogą, ale nie muszą zniknąć wraz z większą ilością danych, dlatego nie możemy doczekać się rozpoczęcia analizy naszego zestawu danych z trzech lat.'

Naszym czołowym modelem wszechświata jest tzw. Lambda CDM. Zawiera on zarówno słabo oddziałujący rodzaj materii (zimna ciemna materia, CDM) jak i ciemną energię (Lambda). Zarówno materia jak i ciemna energia kształtują rozszerzanie się wszechświata, ale w przeciwnych kierunkach. Materia i ciemna materia spowalniają ekspansję, natomiast ciemna energia ją przyspiesza. Ilość każdego z tych składników wpływa na ewolucję naszego wszechświata. Ten model dobrze opisuje wyniki poprzednich eksperymentów i jak wszechświat wygląda na przestrzeni czasu.

Jednakże, gdy pierwszoroczne wyniki DESI są połączone z danymi z innych badań, pojawiają się drobne różnice w stosunku do tego, co przewidywałby model Lambda CDM. W miarę gromadzenia coraz więcej informacji przez DESI w trakcie pięcioletniego badania, te wczesne wyniki stają się coraz precyzyjniejsze, rzucając światło na to, czy dane wskazują na inne wyjaśnienia dla obserwowanych wyników, czy też na konieczność zaktualizowania naszego modelu.

Więcej danych pozwoli także na ulepszenie innych wczesnych wyników DESI, które dotyczą stałej Hubble'a (miary tempa, w jakim wszechświat się dzisiaj rozszerza) oraz masy cząstek zwanych neutrino.

'Żaden eksperyment spektroskopowy nie miał wcześniej takiej ilości danych, a my ciągle gromadzimy dane z ponad miliona galaktyk co miesiąc,' powiedziała Nathalie Palanque-Delabrouille, naukowiec z Berkeley Lab i współrzecznik eksperymentu.

'To zdumiewające, że tylko z danych z naszego pierwszego roku, możemy już mierzyć historię ekspansji naszego wszechświata w siedmiu różnych przekrojach czasu kosmicznego, każdy z precyzją od 1 do 3%. Zespół włożył ogromną ilość pracy w uwzględnienie złożoności instrumentów i modelowania teoretycznego, co daje nam pewność co do solidności naszych pierwszych wyników.'

Ogólna precyzja DESI na historię ekspansji przez wszystkie 11 miliardów lat wynosi 0,5%, a najbardziej odległa epoka, obejmująca 8–11 miliardów lat w przeszłości, ma rekordową precyzję 0,82%. To pomiar naszego młodego wszechświata jest niesamowicie trudny do wykonania.

Jednak w ciągu jednego roku DESI stało się dwa razy skuteczniejsze w mierzeniu historii ekspansji w tych najwcześniejszych czasach niż jego poprzednik (BOSS/eBOSS z Sloan Digital Sky Survey), który zajmował się tym przez ponad dekadę.

'Cieszymy się, widząc wyniki kosmologiczne z pierwszego roku działania DESI,' powiedziała Gina Rameika, zastępca dyrektora ds. Fizyki Wysokich Energii w DOE. 'DESI nadal zachwyca swoją znakomitą wydajnością i już teraz kształtuje nasze zrozumienie wszechświata.'

DESI to międzynarodowa współpraca ponad 900 naukowców z ponad 70 instytucji na całym świecie. Instrument znajduje się na szczycie 4-metrowego teleskopu Nicholas U. Mayall należącego do National Science Foundation (fundacja naukowa) w Obserwatorium Kitt Peak, programu NOIRLab NSF.

Patrząc na mapę DESI, łatwo dostrzec ukrytą strukturę wszechświata: pęczki gromadzących się galaktyk, oddzielone pustkami z mniejszą ilością obiektów. Nasz bardzo wczesny wszechświat, daleko poza zasięgiem DESI, był zupełnie inny: gorąca, gęsta zupa podstawowych cząsteczek poruszających się zbyt szybko, aby mogły utworzyć stabilną materię, taką jak dzisiejsze atomy. Wśród tych cząsteczek były jądra wodoru i helu, zbiorowo nazywane barionami.

Drobne fluktuacje we wczesnej zjonizowanej plazmie wywołały fale ciśnienia, przesuwając bariony w układ fal, który przypominałby to, co zobaczyłbyś, gdybyś wrzucił garść żwiru do stawu. W miarę jak wszechświat się powiększał i stygł, utworzyły się niewielkie atomy, a fale ciśnienia ustąpiły, zamarzając ruchy w trzech wymiarach i zwiększając klasteryzację przyszłych galaktyk w gęstych obszarach.

Miliardy lat później, nadal możemy dostrzec ten nikły wzór 3D fal, lub bąbelków, w charakterystycznym rozłożeniu galaktyk - funkcji nazywanej Baryon Acoustic Oscillations (BAO).

Naukowcy wykorzystują pomiary BAO jako kosmiczną linijkę. Mierząc pozorną wielkość tych bąbelków, mogą określić odległości do materii odpowiedzialnej za ten niezwykle nikły wzór na niebie. Rysowanie mapy zarówno bliższych, jak i dalszych bąbelków BAO pozwala naukowcom podzielić dane na kawałki, mierząc prędkość, z jaką wszechświat się powiększał w każdym momencie swojej przeszłości i modelując, jak energia ciemna wpływa na to powiększanie.

"Zmierzyliśmy historię rozszerzania się w tym ogromnym zakresie kosmicznym czasu z precyzją przekraczającą wszystkie dotychczasowe badania BAO połączone razem," powiedział Hee-Jong Seo, profesor na Uniwersytecie Ohio i współkierownik analizy BAO w DESI. "Jesteśmy bardzo podekscytowani, że dowiemy się, jak te nowe pomiary będą poprawiać i zmieniać nasze zrozumienie kosmosu. Ludzie zawsze byli zafascynowani naszym wszechświatem, chcąc wiedzieć, z czego jest zrobiony i co się z nim stanie".

Wykorzystywanie galaktyk do pomiarów historii ekspansji i lepszego zrozumienia energii ciemnej to jedna z technik, ale ma ona pewne ograniczenia. W pewnym momencie światło z typowych galaktyk staje się zbyt nikłe, więc naukowcy zwracają się ku kwazarom, niezwykle odległym, jasnym rdzeniom galaktyk z czarnymi dziurami w ich centrum. Światło kwazarów jest pochłaniane, gdy przechodzi przez międzygalaktyczne chmury gazu, co pozwala naukowcom zmapować kieszenie gęstej materii i wykorzystać je w ten sam sposób, co galaktyki - technika znana jako wykorzystanie "lasu Lyman-alfa".

"Wykorzystujemy kwazary jako podświetlenie, aby zasadniczo zobaczyć cień gazu pośredniczącego między kwazarami a nami", powiedział Andreu Font-Ribera, naukowiec z Instytutu Fizyki Wysokich Energii (IFAE) w Hiszpanii, który jest współprowadzącym analizę lasu Lyman-alfa w DESI. "Pozwala nam to spojrzeć dalej, na czas, kiedy wszechświat był bardzo młody. Jest to naprawdę trudny pomiar do wykonania i bardzo fajne doświadczenie, że udało się nam go przeprowadzić".

Naukowcy wykorzystali 450 000 kwazarów, największy zbiór kiedykolwiek zebrany do tych pomiarów lasu Lyman-alfa, aby rozciągnąć swoje pomiary BAO aż do 11 miliardów lat w przeszłość. Do końca badania, DESI planuje zmapować 3 miliony kwazarów i 37 milionów galaktyk.

Najnowocześniejsza nauka

DESI to pierwszy eksperyment spektroskopowy, który przeprowadza tzw. "zaślepioną analizę", ukrywając prawdziwy wynik przed naukowcami, aby uniknąć jakiejkolwiek nieświadomej przesłanki potwierdzającej. Naukowcy pracują po omacku ze zmodyfikowanymi danymi, pisząc kod do analizowania swoich odkryć. Po zakończeniu wszystkiego, stosują swoją analizę do oryginalnych danych, aby ujawnić faktyczną odpowiedź.

"Sposób, w jaki przeprowadziliśmy analizę, daje nam pewność co do naszych wyników, a szczególnie co do tego, że Las Lyman-alfa jest potężnym narzędziem do mierzenia ekspansji wszechświata", powiedział Julien Guy, naukowiec z Berkeley Lab i współkierownik przetwarzania informacji z spektrografów DESI.

"Zestaw danych, który zbieramy, jest wyjątkowy, tak samo jak tempo, w jakim go gromadzimy. Jest to najbardziej precyzyjny pomiar, jaki kiedykolwiek przeprowadziłem w moim życiu".

Dane z DESI będą wykorzystane do uzupełnienia przyszłych badań nieba, takich jak Obserwatorium Vera C. Rubin i Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman, oraz do przygotowania potencjalnej modernizacji DESI (DESI-II), której rekomendowano w niedawnym raporcie Panelu ds. Priorytetyzacji Projektów Fizyki Cząstek w USA.

„Jesteśmy w złotym wieku kosmologii, z trwającymi i mającymi dopiero rozpocząć się badaniami na dużą skalę oraz nowymi technikami opracowywanymi, aby jak najlepiej wykorzystać te zestawy danych", powiedział Arnaud de Mattia, badacz z Francuskiego Komisariatu ds. Alternatywnych Energii i Energii Atomowej (CEA) i współkierownik grupy DESI interpretującej dane kosmologiczne.

"Wszyscy jesteśmy naprawdę zmotywowani, aby zobaczyć, czy nowe dane potwierdzą cechy, które zauważyliśmy w naszej próbce z pierwszego roku, i lepiej zrozumieć dynamikę naszego wszechświata".

Journal information: arXiv

Provided by Lawrence Berkeley National Laboratory