DESI maakt de grootste 3D-kaart van het heelal

donkere energie spectroscopie instrumentDESI) heeft de eerste zeven maanden van zijn onderzoek afgesloten door alle eerdere records van 3D-melkwegonderzoeken te verbreken, waardoor de grootste en meest gedetailleerde kaart van het universum ooit is gemaakt. Het nadert echter slechts 10% van de weg tijdens zijn vijfjarige missie. Eenmaal voltooid, zal deze enorm gedetailleerde 3D-kaart een beter begrip van donkere energie opleveren, waardoor natuurkundigen en astronomen een beter begrip krijgen van het verleden en de toekomst van het universum. Ondertussen helpen de verbazingwekkende technische prestaties en kosmische prestaties van het onderzoek tot nu toe wetenschappers om de geheimen van de krachtigste lichtbronnen in het universum te onthullen.

DESI is een internationale wetenschappelijke samenwerking die wordt beheerd door het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Laboratory) met startfinanciering voor constructie en operaties van het Office of Science van het Department of Energy.

DESI-wetenschappers presenteren deze week de prestaties van het instrument en enkele vroege astrofysica-resultaten tijdens een webinar gehost door Berkeley Lab genaamd CosmoPalooza, dat ook updates zal bevatten van andere baanbrekende kosmologische experimenten.

“Er zit veel schoonheid in”, zei Julian Gay, een Berkeley Lab-wetenschapper, een van de sprekers. “In de verdeling van sterrenstelsels op de 3D-kaart zijn er enorme clusters, filamenten en holtes. Het zijn de grootste structuren in het universum. Maar daarin vind je een afdruk van het zeer vroege universum en de geschiedenis van zijn expansie Vanaf dat moment.”

DESI heeft een lange weg afgelegd om op dit punt te komen. Het werd oorspronkelijk meer dan tien jaar geleden voorgesteld en de bouw van het apparaat begon in 2015. Het is geïnstalleerd in de 4 meter lange Nicholas U Maywell-telescoop in het Kate Summit Observatory in de buurt van Tucson, Arizona. Kitt Peak National Observatory is een programma van de National Science Foundation (NSF) NOIRLab, die het Department of Energy contracteert om de Mayall Telescope te bedienen voor het DESI-onderzoek. Het instrument zag eind 2019 zijn eerste licht. Toen, tijdens de validatiefase, sloeg de pandemie van het coronavirus toe en werd de telescoop enkele maanden stilgelegd, hoewel er wat werk op afstand werd voortgezet. In december 2020 richtte DESI zijn blik opnieuw op de lucht, testte zijn hardware en software en was in mei 2021 klaar om te beginnen met zijn wetenschappelijk onderzoek.

Schuif door de 3D-kaart van sterrenstelsels van de voltooide Sloan Digital Sky Survey.

Een plak over de 3D-kaart van sterrenstelsels van de eerste paar maanden van de donkere energiespectroscopie (DESI; rechts). De aarde bevindt zich in het centrum en de meest afgelegen sterrenstelsels zijn er meer dan 10 miljard lichtjaar van verwijderd. Elk punt vertegenwoordigt een sterrenstelsel. Dit 2D-plakje van de 3D DESI-kaart toont slechts ongeveer 800.000 van de 7,5 miljoen sterrenstelsels die momenteel worden gescand, wat op zichzelf slechts een fractie is van de 35 miljoen sterrenstelsels die op de uiteindelijke kaart zullen staan. Credit: D. Schlegel/Berkeley Lab met behulp van gegevens van DESI

Maar het werk aan DESI zelf was nog niet klaar toen het onderzoek begon. “Er wordt aan gewerkt om deze tool te laten werken”, zegt natuurkundige Klaus Hünscheid van de Ohio State University, een machinewetenschapper die bij het project betrokken is, die het eerste artikel van de CosmoPalooza DESI-sessie zal presenteren. Honscheid en zijn team zorgen ervoor dat de tool soepel en automatisch werkt, idealiter zonder enige interferentie tijdens nachtelijke bewaking. “De feedback die ik van nachtwachters krijg, is dat ploegendiensten saai zijn, en dat beschouw ik als een compliment”, zei hij.

Maar deze eentonige doorvoer vereist ongelooflijk gedetailleerde controle van elk van de 5.000 geavanceerde robots die de optische vezels op het DESI-instrument plaatsen, zodat hun posities tot op 10 micron nauwkeurig zijn. “Tien micron is erg klein,” zei Honshed. “Het is minder dan de dikte van een mensenhaar. En je moet elke robot inzetten om licht te verzamelen van sterrenstelsels die miljarden lichtjaren verwijderd zijn. Elke keer als ik aan dit systeem denk, vraag ik me af hoe we het kunnen bereiken? Het succes van DESI als tool is iets om trots op te zijn.”

De ware kleuren van donkere energie zien

dit niveau van Gezondheid Het is nodig om de primaire missie van het onderzoek te volbrengen: het verzamelen van gedetailleerde kleurenspectrumbeelden van miljoenen sterrenstelsels over meer dan een derde van de hele hemel. Door het licht van elk sterrenstelsel op te splitsen in hun kleurenspectrum, kan DESI de roodverschuiving van het licht kwantificeren – uitgerekt naar het rode uiteinde van het spectrum door de uitdijing van het universum gedurende de miljarden jaren die het aflegde voordat het de aarde bereikte. Het zijn deze roodverschuivingen die DESI de diepte van de lucht laten zien.

Hoe groter de roodverschuiving van het spectrum van de melkweg in het algemeen, des te verder het zich er vandaan bevindt. Met een 3D-kaart van het heelal in de hand kunnen natuurkundigen clusters en superclusters van sterrenstelsels in kaart brengen. Die structuren dragen echo’s van hun oorspronkelijke vorming, toen ze nog slechts rimpelingen waren in het baby-universum. Door deze echo’s te activeren, kunnen natuurkundigen DESI-gegevens gebruiken om de expansiegeschiedenis van het universum te bepalen.

De nieuwe quasar die met DESI is ontdekt, geeft een glimp van het heelal zoals het er bijna 13 miljard jaar geleden uitzag, minder dan een miljard jaar na de oerknal. Dit is de verste DESI-quasar die tot nu toe is gedetecteerd, uit een selectie van DESI-quasars met extreem hoge roodverschuiving. De achtergrond toont deze quasar en zijn omgeving in de DESI Legacy Photogrammetry Surveys. Krediet: Jenny Yang, Steward Observatory/Universiteit van Arizona

Ons wetenschappelijke doel is het meten van de vingerafdruk van golven in de oer plasmazei kerel. “Het is verbazingwekkend dat we het effect van deze golven na miljarden jaren en zo snel in ons onderzoek kunnen detecteren.”

Het begrijpen van de geschiedenis van expansie is cruciaal, aangezien niets minder dan het lot van het hele universum op het spel staat. Tegenwoordig bestaat ongeveer 70% van de inhoud van het universum uit donkere energie, een mysterieuze vorm van energie die de uitdijing van het universum sneller drijft. Naarmate het universum uitdijt, verschijnt er meer donkere energie, wat de uitdijing verder versnelt, in een cyclus die een deel van de donkere energie in het universum omhoog stuwt. Donkere energie zal uiteindelijk het lot van het universum bepalen: zal het voor altijd uitdijen? Zal hij weer in elkaar zakken, in? de grote explosie achteruit? Of zal ze zichzelf verscheuren? Het beantwoorden van deze vragen betekent meer leren over hoe donkere energie zich in het verleden gedroeg – en dat is precies waarvoor DESI is ontworpen. En door de geschiedenis van expansie te vergelijken met de geschiedenis van groei, kunnen kosmologen nagaan of Einsteins algemene relativiteitstheorie stand houdt over deze enorme stukken ruimte en tijd.

Zwarte gaten en heldere sterrenstelsels

Maar om het lot van het universum te begrijpen, moet worden gewacht tot DESI meer van zijn onderzoek heeft voltooid. Ondertussen zorgt DESI al voor doorbraken in ons begrip van het verre verleden, meer dan 10 miljard jaar geleden, toen sterrenstelsels nog jong waren.

“Het is echt geweldig”, zegt Ragadeepika Pucha, een afgestudeerde student astronomie aan de Universiteit van Arizona die aan DESI werkt. “DESI zal ons meer vertellen over de fysica van de vorming en evolutie van sterrenstelsels.”

Pucha en haar collega’s gebruiken DESI-gegevens om het gedrag van middelgrote zwarte gaten in kleine sterrenstelsels te begrijpen. Men denkt dat superzware zwarte gaten het hart van bijna elk groot sterrenstelsel, zoals het onze, bewonen Melkweg. Maar of kleine sterrenstelsels altijd hun eigen (kleinere) zwarte gaten in hun kernen hebben. Zwarte gaten zouden bijna onmogelijk alleen te vinden zijn – maar als ze genoeg materiaal aantrekken, zullen ze gemakkelijker te detecteren zijn. Wanneer gas, stof en andere materialen in zwart gat Terwijl het op weg naar het binnenland opwarmt (tot temperaturen boven de kern van de ster), vormt zich een actieve galactische kern (AGN). In grote sterrenstelsels behoren actieve galactische kernen tot de helderste objecten in het bekende universum. Maar in kleinere sterrenstelsels kunnen AGN’s veel zwakker zijn en moeilijk te onderscheiden van pasgeboren sterren. De spectra die door DESI zijn vastgelegd, kunnen dit probleem helpen oplossen – en hoe ver ze zich door de lucht verspreiden, zal meer informatie over de kernen van jonge sterrenstelsels geven dan ooit tevoren. Deze kernen zullen op hun beurt wetenschappers aanwijzingen geven over hoe AGN’s in het vroege universum zijn gevormd.

Quasars – een diverse groep heldere sterrenstelsels – behoren tot de helderste en meest verre objecten. “Ik zie ze graag als lantaarnpalen, terugkijkend op de geschiedenis van het universum”, zegt Victoria Fawcett, een afgestudeerde student astronomie aan de Durham University in het VK. Quasars zijn uitstekende sondes van het vroege heelal vanwege hun enorme kracht. DESI-gegevens gaan 11 miljard jaar terug in de tijd.

Fawcett en haar collega’s gebruiken DESI-gegevens om de evolutie van quasars zelf te begrijpen. Men denkt dat quasars worden omgeven door een omhulsel van stof, dat het licht dat ze uitstralen rood maakt, zoals de zon door een waas. Naarmate ze ouder worden, verdrijven ze dit stof en worden ze blauwer. Maar deze theorie was moeilijk te testen vanwege het gebrek aan gegevens over rode quasars. DESI verandert dat, aangezien er meer quasars zijn gevonden dan enig eerder onderzoek, met 2,4 miljoen quasars verwacht in de definitieve onderzoeksgegevens.

“DESI is echt geweldig omdat het dingen oppikt die vager en roder zijn,” zei Fawcett. Ze voegt eraan toe dat wetenschappers hierdoor ideeën over de evolutie van quasars kunnen testen die voorheen niet konden worden getest. En dit is niet alleen beperkt tot quasars. “We vinden een zeer groot aantal exotische systemen, waaronder grote voorbeelden van zeldzame dingen die we niet eerder in detail hebben kunnen bestuderen,” zei Fawcett.

Er komt nog meer DESI. Het onderzoek heeft al meer dan 7,5 miljoen sterrenstelsels gecatalogiseerd en voegt er meer toe met een snelheid van meer dan een miljoen sterrenstelsels per maand. Alleen al in november 2021 catalogiseerde DESI de roodverschuivingen van 2,5 miljoen sterrenstelsels. Tegen het einde van zijn operatie in 2026 zal DESI naar verwachting meer dan 35 miljoen sterrenstelsels in zijn catalogus hebben, wat een breed scala aan kosmologisch en astrofysisch onderzoek mogelijk maakt.

“Al deze gegevens zijn er gewoon en wachten om te worden geanalyseerd”, zei Bucha. “En dan zullen we een heleboel verbazingwekkende dingen over sterrenstelsels ontdekken. Voor mij is dat opwindend.”

DESI wordt ondersteund door het Department of Energy’s Office of Science en het National Center for Scientific Computing for Energy Research, een gebruikersfaciliteit van het Department of Energy’s Office of Science. Aanvullende steun voor DESI wordt verleend door de Amerikaanse National Science Foundation, de UK Science and Technology Facilities Council, de Gordon and Betty Moore Foundation, de Heising-Simons Foundation, de Franse Commissie voor Alternatieve en Atoomenergie (CEA), de National Science and Technologieraad van Mexico, het ministerie van Spaanse economie, DESI-lidinstellingen.

DESI Collaboration heeft de eer hem toe te staan ​​wetenschappelijk onderzoek te doen op de berg Iolkam Du’ag (Kitt Peak), een berg die van bijzonder belang is voor de natie Tohono O’odham.