_ Cercetătorii folosesc întuneric Instrument spectroscopic de energie pentru a realiza cea mai mare hartă 3D a universului nostru

Cu 5.000 de roboți mici într-un telescop de vârf de munte, cercetătorii pot privi cu 11 miliarde de ani în trecut. Lumina de la obiectele îndepărtate din spațiu ajunge tocmai acum la Instrumentul spectroscopic al energiei întunecate (DESI), permițându-ne să ne cartografiem cosmosul așa cum era în tinerețe și să urmăm creșterea lui până la ceea ce vedem astăzi.

Înțelegerea modului în care a evoluat universul nostru este legată de modul în care se termină și de unul dintre cele mai mari mistere din fizică: energia întunecată, ingredientul necunoscut care face ca universul nostru să se extindă din ce în ce mai repede.

Pentru a studia energia întunecată. efectele din ultimii 11 miliarde de ani, DESI a creat cea mai mare hartă 3D a cosmosului nostru construită vreodată, cu cele mai precise măsurători de până acum. Este pentru prima dată când oamenii de știință au măsurat istoria expansiunii universului tânăr cu o precizie mai bună de 1%, oferindu-ne cea mai bună imagine de până acum asupra modului în care a evoluat universul.

Cercetătorii au împărtășit analiza primului lor an. a datelor colectate în mai multe lucrări care vor fi postate astăzi pe serverul de pre-print arXiv și în discuțiile de la reuniunea Societății Americane de Fizică din Statele Unite și Rencontres de Moriond din Italia.

„Suntem incredibil de mândru de date, care au produs rezultate cosmologice de vârf la nivel mondial și sunt primele care ies din noua generație de experimente cu energia întunecată”, a declarat Michael Levi, director DESI și om de știință la Laboratorul Național Lawrence Berkeley al Departamentului de Energie ( Berkeley Lab), care gestionează proiectul.

„Până acum, vedem un acord de bază cu cel mai bun model al nostru al universului, dar vedem și unele diferențe potențial interesante care ar putea indica faptul că energia întunecată. evoluează în timp. Acestea pot să dispară sau nu cu mai multe date, așa că suntem încântați să începem să analizăm setul nostru de date de trei ani în curând.”

Modelul nostru principal al universului este cunoscut sub numele de Lambda CDM . Include atât un tip de materie care interacționează slab (materie întunecată rece sau CDM), cât și energie întunecată (Lambda). Atât materia, cât și energia întunecată modelează modul în care universul se extinde, dar în moduri opuse. Materia și materia întunecată încetinesc expansiunea, în timp ce energia întunecată o accelerează. Cantitatea fiecăruia influențează modul în care universul nostru evoluează. Acest model face o treabă bună de a descrie rezultatele experimentelor anterioare și cum arată universul de-a lungul timpului.

Cu toate acestea, când rezultatele din primul an ale DESI sunt combinate cu datele din alte studii, există unele diferențe subtile cu ceea ce Lambda CDM ar prezice. Pe măsură ce DESI adună mai multe informații în timpul sondajului său de cinci ani, aceste rezultate timpurii vor deveni mai precise, arătând dacă datele indică explicații diferite pentru rezultatele pe care le observăm sau necesitatea de a actualiza modelul nostru.

Mai multe date vor îmbunătăți, de asemenea, celelalte rezultate timpurii ale DESI, care cântăresc constanta Hubble (o măsură a cât de repede se extinde universul astăzi) și masa de particule numite neutrini.

„Nici un experiment spectroscopic nu a avut am avut atât de multe date înainte și continuăm să strângem date de la mai mult de un milion de galaxii în fiecare lună”, a declarat Nathalie Palanque-Delabrouille, om de știință din Berkeley Lab și co-purtător de cuvânt al experimentului.

„ Este uimitor că, cu doar primul an de date, putem deja măsura istoria expansiunii universului nostru la șapte secțiuni diferite de timp cosmic, fiecare cu o precizie de 1 până la 3%. Echipa a depus o cantitate enormă de muncă pentru a da seama pentru complexitatea modelării instrumentale și teoretice, ceea ce ne oferă încredere în robustețea primelor noastre rezultate.”

Precizia generală a DESI cu privire la istoria expansiunii în toate cele 11 miliarde de ani este de 0,5%, iar cea mai îndepărtată epocă, acoperind 8-11 miliarde de ani în trecut, are o precizie record de 0,82%. Această măsurare a universului nostru tânăr este incredibil de dificil de realizat.

Cu toate acestea, în decurs de un an, DESI a devenit de două ori mai puternic în măsurarea istoriei expansiunii în aceste timpuri timpurii decât predecesorul său (BOSS/Sloan Digital Sky Survey). eBOSS), care a durat mai mult de un deceniu.

„Suntem încântați să vedem rezultatele cosmologiei din primul an de operațiuni al DESI”, a declarat Gina Rameika, director asociat pentru Fizica Energiei Înalte la DOE. „DESI continuă să ne uimească cu performanța sa stelară și deja modelează înțelegerea noastră despre univers.”

DESI este o colaborare internațională a peste 900 de cercetători din peste 70 de instituții din întreaga lume. Instrumentul se află deasupra telescopului de 4 metri Nicholas U. Mayall de la Fundația Națională de Știință din SUA la Observatorul Național Kitt Peak, un program al NOIRLab al NSF.

Privind harta DESI, este ușor de văzut structura de bază a univers: fire de galaxii grupate, separate prin goluri cu mai puține obiecte. Universul nostru foarte timpuriu, cu mult dincolo de viziunea lui DESI, a fost cu totul diferit: o supă fierbinte și densă de particule subatomice care se mișca prea repede pentru a forma materie stabilă precum atomii pe care îi cunoaștem astăzi. Printre acele particule se numărau nuclee de hidrogen și heliu, numite în mod colectiv barioni.

Fluctuațiile minuscule ale acestei plasme ionizate timpurii au provocat unde de presiune, deplasând barionii într-un model de ondulații care este similar cu ceea ce ați vedea dacă ați vedea a aruncat o mână de pietriș într-un iaz. Pe măsură ce universul s-a extins și s-a răcit, s-au format atomi neutri și undele de presiune s-au oprit, înghețând ondulațiile în trei dimensiuni și crescând gruparea viitoarelor galaxii în zonele dense.

Miliarde de ani mai târziu, încă putem vedea acest lucru. model slab de ondulații 3D, sau bule, în separarea caracteristică a galaxiilor – o caracteristică numită oscilații acustice barionice (BAO).

Cercetătorii folosesc măsurătorile BAO ca o riglă cosmică. Măsurând dimensiunea aparentă a acestor bule, ele pot determina distanțele până la materia responsabilă pentru acest model extrem de slab de pe cer. Cartografierea bulelor BAO atât de aproape, cât și de departe le permite cercetătorilor să divizeze datele în bucăți, măsurând cât de repede se extindea universul de fiecare dată în trecut și modelând modul în care energia întunecată afectează această expansiune.

„Am măsurat. istoria expansiunii în acest interval uriaș de timp cosmic cu o precizie care depășește toate sondajele BAO anterioare combinate”, a spus Hee-Jong Seo, profesor la Universitatea Ohio și co-lider al analizei BAO a DESI. „Suntem foarte încântați să aflăm cum aceste noi măsurători ne vor îmbunătăți și modifica înțelegerea cosmosului. Oamenii au o fascinație atemporală pentru universul nostru, dorind să știe atât din ce este făcut, cât și ce se va întâmpla cu el.”

Folosirea galaxiilor pentru a măsura istoria expansiunii și a înțelege mai bine energia întunecată este o tehnică, dar nu poate ajunge decât până acum. La un moment dat, lumina galaxiilor tipice este prea slabă, așa că cercetătorii apelează la quasari, nuclee galactice extrem de îndepărtate, strălucitoare, cu găuri negre în centre. Lumina de la quasari este absorbită pe măsură ce trece prin norii intergalactici de gaz, permițând cercetătorilor să cartografieze buzunarele de materie densă și să le folosească în același mod în care folosesc galaxiile – o tehnică cunoscută sub numele de „pădurea Lyman-alfa”.

„Folosim quasarii ca lumină de fundal pentru a vedea practic umbra gazului care intervine între quasari și noi”, a spus Andreu Font-Ribera, om de știință la Institutul pentru Fizica Energiei Înalte (IFAE) din Spania, care co-conduce. Analiza forestieră Lyman-alfa DESI. „Ne permite să privim mai departe când universul era foarte tânăr. Este o măsurătoare foarte greu de făcut și foarte tare să-l vezi cu succes.”

Cercetătorii au folosit 450.000 de quasari, cel mai mare set colectat vreodată pentru aceste măsurători ale pădurii Lyman-alfa, pentru a-și extinde măsurătorile BAO până la 11 miliarde de ani în trecut. Până la sfârșitul sondajului, DESI intenționează să cartografieze 3 milioane de quasari și 37 de milioane de galaxii.

Știință de ultimă generație

DESI este primul experiment spectroscopic care efectuează un complet „analiza oarbă”, care ascunde rezultatul adevărat de la oamenii de știință pentru a evita orice părtinire de confirmare subconștientă. Cercetătorii lucrează în întuneric cu date modificate, scriind codul pentru a-și analiza descoperirile. Odată ce totul este finalizat, ei își aplică analiza datelor inițiale pentru a dezvălui răspunsul real.

„Modul în care am făcut analiza ne oferă încredere în rezultatele noastre și în special în arătarea că pădurea Lyman-alfa. este un instrument puternic pentru măsurarea expansiunii universului”, a spus Julien Guy, om de știință la Berkeley Lab și co-conducător pentru procesarea informațiilor din spectrografele DESI.

„Setul de date pe care îl colectăm este excepțional, la fel și este excepțional. ritmul cu care îl culegem. Aceasta este cea mai precisă măsurătoare pe care am făcut-o vreodată în viața mea.”

Datele DESI vor fi folosite pentru a completa viitoarele cercetări ale cerului, cum ar fi Observatorul Vera C. Rubin și Telescopul spațial roman Nancy Grace și să se pregătească pentru o potențială actualizare la DESI (DESI-II), care a fost recomandată într-un raport recent al Comisiei de prioritizare a proiectului de fizică a particulelor din S.U.A.

„Suntem în epoca de aur. de cosmologie, cu studii pe scară largă în curs de desfășurare și pe cale de a fi începute și noi tehnici fiind dezvoltate pentru a utiliza cât mai bine aceste seturi de date”, a declarat Arnaud de Mattia, cercetător la Comisia Franceză pentru Energii Alternative și Energie Atomică (CEA) și co-lider al grupului DESI care interpretează datele cosmologice.

„Suntem cu toții cu adevărat motivați să vedem dacă noile date vor confirma caracteristicile pe care le-am văzut în eșantionul nostru din primul an și vor construi o mai bună înțelegere a dinamicii a universului nostru."

(Fluierul)