Forskare använder Dark Energy Spectroscopic Instrument för att skapa den största 3D-kartan över vårt universum

4 april, 2024

Den här artikeln har granskats enligt Science X: s redaktionella process och policy. Redaktörer har framhävt följande egenskaper samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

• faktagranskad
• förhandsutskrift
• tillförlitlig källa
• korrekturläst

av Lawrence Berkeley National Laboratory

Med 5 000 små robotar i ett teleskop på en bergstopp kan forskare se 11 miljarder år tillbaka i tiden. Ljuset från långväga objekt i rymden når just nu Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), vilket gör att vi kan kartlägga vårt kosmos som det var i dess ungdom och spåra dess tillväxt till vad vi ser idag.

Förståelsen av hur vårt universum har utvecklats är kopplat till hur det slutar, och till ett av de största mysterierna inom fysiken: mörk energi, den okända ingrediensen som får vårt universum att expandera snabbare och snabbare.

För att studera effekterna av mörk energi under de senaste 11 miljarder åren har DESI skapat den största 3D-kartan över vårt kosmos någonsin, med de mest precisa mätningarna hittills. Detta är första gången forskare har mätt expansionshistorien för det unga universumet med en precision bättre än 1%, vilket ger oss vår bästa vy hittills över hur universum utvecklats.

Forskare delade analysen av deras första år av insamlad data i flera dokument som kommer att publiceras idag på servern för förhandsutskrift av arXiv och i föredrag vid American Physical Society-mötet i USA och Rencontres de Moriond i Italien.

'Vi är otroligt stolta över datan, som har producerat världsledande resultat inom kosmologi och är de första att komma från den nya generationen av mörk energiförsök,' säger Michael Levi, DESI-direktör och forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), som driver projektet.

'Hittills ser vi grundläggande överensstämmelse med vår bästa modell av universumet, men vi ser också några potentiellt intressanta skillnader som kan tyda på att mörk energi utvecklas över tiden. Dessa kanske försvinner med mer data, så vi ser fram emot att börja analysera vår tredje års datauppsättning snart.'

Vår ledande modell av universumet är känd som Lambda CDM. Den inkluderar både en svagt interagerande typ av materia (kall mörk materia, eller CDM) och mörk energi (Lambda). Både materia och mörk energi påverkar hur universum expanderar - men på motsatta sätt. Materia och mörk materia bromsar expansionen, medan mörk energi påskyndar den. Mängden av varje påverkar hur vårt universum utvecklas. Denna modell gör ett bra jobb med att beskriva resultat från tidigare experiment och hur universum ser ut genom tiderna.

Men när DESI:s första års resultat kombineras med data från andra studier finns det vissa subtila skillnader med vad Lambda CDM skulle förutsäga. När DESI samlar in mer information under sin femåriga undersökning kommer dessa tidiga resultat att bli mer precisa, vilket gör det möjligt att se om datan pekar på olika förklaringar för resultaten vi observerar eller behovet av att uppdatera vår modell.

Mer data kommer också att förbättra DESI:s andra tidiga resultat, som berör Hubble-konstanten (ett mått på hur snabbt universum expanderar idag) och massan på partiklar som kallas neutriner.

'Inget spektroskopiskt experiment har haft så mycket data tidigare, och vi fortsätter att samla in data från mer än en miljon galaxer varje månad,' säger Nathalie Palanque-Delabrouille, en forskare vid Berkeley Lab och med talesperson för experimentet.

'Det är fantastiskt att vi med bara vårt första år av data redan kan mäta expansionshistorien för vårt universum vid sju olika tidpunkter i kosmisk tid, var och en med en precision på 1 till 3%. Teamet har lagt ned enormt mycket arbete för att ta hänsyn till instrumentella och teoretiska modelleringsprektigheter, vilket ger oss förtroende för robustheten i våra första resultat.'

DESI:s totala precision på expansionshistorien över hela 11 miljarder år är 0,5%, och den mest avlägsna epoken, täckande 8-11 miljarder år i det förflutna, har ett rekordsättande precision på 0,82%. Det är otroligt svårt att göra den mätningen av vårt unga universum.

Ändå har DESI inom ett år blivit dubbelt så kraftfullt på att mäta expansionshistorien vid dessa tidiga tider jämfört med sin föregångare (Sloan Digital Sky Surveys BOSS/eBOSS), som tog mer än ett decennium.

'Vi är glada över att se kosmologiresultat från DESI:s första års drift,' säger Gina Rameika, biträdande direktör för högenergifysik vid DOE. 'DESI fortsätter att imponera på oss med sin stjärnprestation och formar redan vår förståelse för universum.'

DESI är ett internationellt samarbete med mer än 900 forskare från över 70 institutioner runt om i världen. Instrumentet sitter ovanpå U.S. National Science Foundations Nicholas U. Mayall 4-metersteleskop vid Kitt Peak National Observatory, ett program av NSF's NOIRLab.

När man tittar på DESI:s karta är det lätt att se universums underliggande struktur: strängar av galaxer klumpade tillsammans, separerade av tomrum med färre objekt. Vårt mycket tidiga universum, långt bortom DESI:s synfält, var ganska olikt: en het, tät soppa av subatomära partiklar som rörde sig för fort för att bilda stabilt material som de atomer vi känner idag. Bland dessa partiklar var väte- och heliumkärnor, gemensamt kallade baryoner.

Små fluktuationer i denna tidiga joniserade plasma orsakade tryckvågor, som flyttade baryonerna till ett mönster av vågtoppar som liknar det du skulle se om du kastade en handfull grus i en damm. När universum expanderade och svalnade, bildades neutrala atomer och tryckvågorna upphörde, vilket frös vågtopparna i tre dimensioner och ökade klustringen av framtida galaxer i de täta områdena.

Miljarder år senare kan vi fortfarande se detta svaga mönster av 3D-vågtoppar, eller bubblor, i den karakteristiska separationen av galaxer - en funktion som kallas Baryoniska Akustiska Oscillationer (BAO:s).

Forskare använder BAO-mätningarna som en kosmisk linjal. Genom att mäta de upplevda storlekarna på dessa bubblor kan de bestämma avstånden till det material som är ansvarigt för detta mycket svaga mönster på himlen. Kartläggning av BAO-bubblorna både nära och långt borta låter forskare dela upp data i bitar, mäta hur snabbt universum expanderade vid varje tidpunkt i sitt förflutna och modellera hur mörk energi påverkar den expansionen.

'Vi har mätt expansionshistoriken över detta enorma område av kosmisk tid med en precision som överträffar alla tidigare BAO-undersökningar tillsammans,' sa Hee-Jong Seo, en professor vid Ohio University och medledare för DESI:s BAO-analys. 'Vi är väldigt glada att få reda på hur dessa nya mätningar kommer att förbättra och ändra vår förståelse av kosmos. Människor har en tidlös fascination för vårt universum, vill veta både vad det består av och vad som kommer att hända med det.'

Använda galaxer för att mäta expansionshistoriken och förstå mörk energi är en metod, men den kan bara nå en viss sträcka. Vid en viss punkt är ljuset från typiska galaxer för svagt, så forskare vänder sig till kvasarer, extremt avlägsna, ljusa galaxkärnor med svarta hål i deras mitt. Ljuset från kvasarer absorberas när det passerar genom intergalaktiska gasmoln, vilket gör att forskare kan kartlägga de täta materiafickorna och använda dem på samma sätt som de använder galaxer - en teknik som kallas att använda 'Lyman-alfa-skogen'.

'Vi använder kvasarer som bakgrundsbelysning för att i princip se skuggan av det ingripande gasmolnet mellan kvasarerna och oss,' sa Andreu Font-Ribera, en forskare vid Institute for High Energy Physics (IFAE) i Spanien som är medledare för DESI:s Lyman-alfa-skogsanalys. 'Det låter oss titta ut längre till när universum var väldigt ungt. Det är en väldigt svår mätning att göra, och mycket coolt att se det lyckas.'

Forskare använde 450 000 kvasarer, det största setet någonsin samlat för dessa Lyman-alfa-skogsmätningar, för att utöka sina BAO-mätningar hela vägen ut till 11 miljarder år i det förflutna. Vid undersökningens slut planerar DESI att kartlägga 3 miljoner kvasarer och 37 miljoner galaxer.

Högsta möjliga vetenskap

DESI är det första spektroskopiska experimentet som utför en fullständig 'blind analys', vilket döljer det verkliga resultatet för forskarna för att undvika eventuell submedveten bekräftelsebias. Forskare arbetar i mörkret med modifierade data, skriver koden för att analysera sina resultat. När allt är färdigställt applicerar de sin analys på de ursprungliga datamaterialet för att avslöja det faktiska svaret.

'Sättet vi gjorde analysen ger oss förtroende för våra resultat, och särskilt att visa att Lyman-alfa-skogen är ett kraftfullt verktyg för att mäta universums expansion,' sa Julien Guy, en forskare vid Berkeley Lab och samledare för bearbetning av information från DESI:s spektrografer.

'Datamaterialet vi samlar in är exceptionellt, liksom den takt med vilken vi samlar in det. Detta är den mest precisa mätningen jag någonsin har gjort i mitt liv.'

DESI:s data kommer att användas för att komplettera framtida himmelsundersökningar såsom Vera C. Rubin Observatoriet och Nancy Grace Roman Space Telescope, och för att förbereda för en eventuell uppgradering av DESI (DESI-II) som rekommenderades i en nyligen rapport av U.S. Particle Physics Project Prioritization Panel.

'Vi är i den gyllene eran av kosmologi, med storskaliga undersökningar pågår och som kommer att påbörjas, och nya tekniker utvecklas för att utnyttja dessa informationsmängder på bästa sätt,' sa Arnaud de Mattia, forskare vid det franska alternativenergi- och atomenergikommissionen (CEA) och co-ledare för DESI:s grupp som tolkar de kosmologiska datan.

'Vi är verkligen motiverade att se om nya data kommer att bekräfta de funktioner vi såg i vårt första-årsprov och bygga en bättre förståelse för vårt universums dynamik.'

Journal information: arXiv

Provided by Lawrence Berkeley National Laboratory