С помощью 5000 крошечных роботов в телескопе на вершине горы исследователи могут заглянуть в прошлое на 11 миллиардов лет. Свет от удаленных объектов в космосе только сейчас достигает спектроскопического инструмента темной энергии (DESI), который позволяет нам составить карту нашего космоса, каким он был в молодости, и проследить его рост до того, что мы видим сегодня.
Понимание того, как развивалась наша Вселенная, связано с тем, как она заканчивается, а также с одной из величайших загадок физики: темной энергией, неизвестным ингредиентом, заставляющим нашу Вселенную расширяться все быстрее и быстрее.
Чтобы изучить влияние темной энергии за последние 11 миллиардов лет, DESI создал самую большую трехмерную карту нашего космоса, когда-либо созданную, с самыми точными на сегодняшний день измерениями. Впервые ученые измерили историю расширения молодой Вселенной с точностью лучше 1%, что дает нам лучшее представление о том, как развивалась Вселенная.
Исследователи поделились анализом собранных ими данных за первый год в нескольких статьях, которые будут размещены сегодня на сервере препринтов arXiv, а также в ходе переговоров на встрече Американского физического общества в США и Rencontres de Moriond в Италии.
«Мы невероятно гордимся данными, которые позволили получить ведущие в мире результаты в космологии и являются первыми результатами нового поколения экспериментов с темной энергией», — сказал Майкл Леви, директор DESI и ученый из Департамента энергетики Лоуренса. Национальная лаборатория Беркли (Berkeley Lab), которая управляет проектом.
«Пока что мы видим общее согласие с нашей лучшей моделью Вселенной, но мы также видим некоторые потенциально интересные различия, которые могут указывать на то, что темная энергия развивается со временем. Они могут исчезнуть, а могут и не исчезнуть с получением дополнительных данных, поэтому мы рады скоро начать анализировать наш набор данных за три года».
Наша ведущая модель Вселенной известна как Lambda CDM. Она включает в себя как слабовзаимодействующий тип материи (холодную темную материю, или ХДМ), так и темную энергию (лямбда). И материя, и темная энергия определяют расширение Вселенной, но противоположными способами. Материя и темная материя замедляют расширение, а темная энергия ускоряет его. Количество каждого из них влияет на то, как развивается наша Вселенная. Эта модель хорошо описывает результаты предыдущих экспериментов и то, как Вселенная выглядит во времени.
Однако когда результаты первого года DESI объединяются с данными других исследований, возникают некоторые тонкие различия с тем, что предсказывает Lambda CDM. По мере того, как DESI собирает больше информации в ходе своего пятилетнего исследования, эти ранние результаты станут более точными, проливая свет на то, указывают ли данные на разные объяснения наблюдаемых нами результатов или на необходимость обновления нашей модели.
Больше данных также улучшит другие ранние результаты DESI, которые влияют на постоянную Хаббла (показатель того, насколько быстро расширяется Вселенная сегодня) и массу частиц, называемых нейтрино.
«Ни один спектроскопический эксперимент раньше не получал такого количества данных, и мы продолжаем собирать данные более чем с миллиона галактик каждый месяц», — сказала Натали Паланк-Делабруй, ученый из лаборатории Беркли и со-представитель эксперимента.
«Удивительно, что, имея данные только за первый год, мы уже можем измерить историю расширения нашей Вселенной в семи различных срезах космического времени, каждый с точностью от 1 до 3%. Команда проделала огромную работу по учету тонкостей инструментального и теоретического моделирования, что вселяет в нас уверенность в надежности наших первых результатов».
Общая точность DESI истории расширения за все 11 миллиардов лет составляет 0,5%, а самая далекая эпоха, охватывающая 8–11 миллиардов лет назад, имеет рекордную точность 0,82%. Измерить нашу молодую Вселенную невероятно сложно.
Тем не менее, за один год DESI стал вдвое более эффективным в измерении истории расширения в те ранние времена, чем его предшественник (BOSS/eBOSS Sloan Digital Sky Survey), на что ушло более десяти лет.
«Мы очень рады видеть результаты космологии за первый год работы DESI», — сказала Джина Рамейка, заместитель директора по физике высоких энергий Министерства энергетики. «DESI продолжает удивлять нас своими звездными характеристиками и уже формирует наше понимание Вселенной».
Путешествие во времени
DESI — это международное сотрудничество более 900 исследователей из более чем 70 учреждений по всему миру. Инструмент установлен на вершине 4-метрового телескопа Николаса Мэйолла Национального научного фонда США в Национальной обсерватории Китт-Пик, который является программой NOIRLab Национального научного фонда.
Глядя на карту DESI, легко увидеть основную структуру Вселенной: нити галактик, сгруппированных вместе, разделенных пустотами с меньшим количеством объектов. Наша очень ранняя Вселенная, находящаяся далеко за пределами поля зрения DESI, была совсем другой: горячий, плотный суп из субатомных частиц, движущихся слишком быстро, чтобы образовать стабильную материю, подобную атомам, которые мы знаем сегодня. Среди этих частиц были ядра водорода и гелия, называемые барионами.
Крошечные колебания в этой ранней ионизированной плазме вызывали волны давления, превращая барионы в рябь, похожую на ту, которую вы бы увидели, бросив пригоршню гравия в пруд. По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась, формировались нейтральные атомы, и волны давления прекращались, замораживая рябь в трех измерениях и увеличивая скопление будущих галактик в плотных областях.
Миллиарды лет спустя мы все еще можем видеть этот слабый узор из трехмерной ряби или пузырей в характерном разделении галактик — особенность, называемая барионными акустическими колебаниями (БАО).
Исследователи используют измерения БАО в качестве космического правителя. Измеряя видимый размер этих пузырьков, они смогут определить расстояния до материи, ответственной за этот чрезвычайно слабый узор на небе. Составление карты пузырей БАО как вблизи, так и вдалеке позволяет исследователям разбивать данные на фрагменты, измеряя, насколько быстро Вселенная расширялась в каждый момент своего прошлого, и моделируя, как темная энергия влияет на это расширение.
«Мы измерили историю расширения в этом огромном диапазоне космического времени с точностью, превосходящей все предыдущие исследования BAO вместе взятые», — сказал Хи-Чон Со, профессор Университета Огайо и соруководитель анализа BAO DESI. «Мы очень рады узнать, как эти новые измерения улучшат и изменят наше понимание космоса. Люди испытывают вечный интерес к нашей Вселенной, желая знать, из чего она состоит и что с ней будет».
Использование галактик для измерения истории расширения и лучшего понимания темной энергии — это один из методов, но он может достичь лишь определенного предела. В определенный момент свет типичных галактик становится слишком слабым, поэтому исследователи обращаются к квазарам — чрезвычайно далеким ярким галактическим ядрам с черными дырами в центрах. Свет квазаров поглощается при прохождении через межгалактические облака газа, что позволяет исследователям картировать карманы плотной материи и использовать их так же, как они используют галактики — метод, известный как использование «леса Лайман-альфа».
«Мы используем квазары в качестве подсветки, чтобы увидеть тень газа, находящегося между квазарами и нами», — сказал Андреу Фонт-Рибера, учёный из Института физики высоких энергий (IFAE) в Испании, который является соруководителем проекта DESI Lyman-Ribera. альфа-анализ леса. «Это позволяет нам заглянуть дальше в то время, когда Вселенная была очень молодой. Это действительно сложное измерение, и очень приятно видеть, что оно увенчалось успехом».
Исследователи использовали 450 000 квазаров, самый большой набор, когда-либо собранный для этих измерений леса Лайман-альфа, чтобы расширить свои измерения BAO до 11 миллиардов лет назад. К концу исследования DESI планирует нанести на карту 3 миллиона квазаров и 37 миллионов галактик.
Современная наука
DESI — это первый спектроскопический эксперимент, в котором проводится полностью «слепой анализ», который скрывает от ученых истинный результат, чтобы избежать какой-либо подсознательной предвзятости подтверждения. Исследователи работают в темноте с измененными данными, создавая код для анализа своих результатов. Как только все будет окончательно согласовано, они применяют свой анализ к исходным данным, чтобы получить фактический ответ.
«То, как мы провели анализ, дает нам уверенность в наших результатах, и особенно в демонстрации того, что лес Лайман-альфа является мощным инструментом для измерения расширения Вселенной», — сказал Жюльен Гай, ученый из лаборатории Беркли и соруководитель исследования. обработка информации со спектрографов DESI.
«Набор данных, который мы собираем, уникален, как и скорость, с которой мы его собираем. Это самое точное измерение, которое я когда-либо делал в своей жизни».
Данные DESI будут использоваться для дополнения будущих обзоров неба, таких как Обсерватория Веры К. Рубин и Римский космический телескоп Нэнси Грейс, а также для подготовки к потенциальному обновлению DESI (DESI-II), которое было рекомендовано в недавнем отчете US Particle. Группа по определению приоритетов физических проектов.
«Мы живем в золотую эпоху космологии: крупномасштабные исследования продолжаются и вот-вот начнутся, а также разрабатываются новые методы, позволяющие наилучшим образом использовать эти наборы данных», — сказал Арно де Маттиа, исследователь Французской организации альтернативной энергетики и исследований. Комиссия по атомной энергии (CEA) и соруководитель группы DESI, интерпретирующей космологические данные.
«Мы все очень заинтересованы в том, чтобы увидеть, подтвердят ли новые данные особенности, которые мы видели в нашей выборке первого года, и помогут ли они лучше понять динамику нашей Вселенной».
Предоставлено
Национальная лаборатория Лоуренса Беркли
