В Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне инструмент с 5000 крошечными роботизированными глазами сканирует ночное небо. Каждые 20 минут инструмент и прикрепленный к нему телескоп наблюдают за новым набором из 5000 галактик. Инструмент называется DESI — Инструмент исследования темной энергии — и как только он завершит свою пятилетнюю миссию, он создаст самую большую трехмерную карту Вселенной, когда-либо созданную.
Но ученые получают доступ к первому выпуску данных DESI, и это позволяет предположить, что темная энергия может развиваться.
Согласно их веб-сайту, DESI — самый мощный в мире многообъектный обзорный спектрограф. Он собирает спектры десятков миллионов галактик и квазаров. Целью является трехмерная карта Вселенной, простирающаяся на 11 миллиардов световых лет. Эта карта поможет объяснить, как темная энергия способствовала расширению Вселенной.
DESI стартовал в 2021 году и рассчитан на пять лет. Были опубликованы данные за первый год, и ученые проекта говорят, что DESI успешно измерил расширение Вселенной за последние 11 миллиардов лет с чрезвычайной точностью.
«Команда DESI установила новый стандарт для изучения крупномасштабной структуры Вселенной».
Пэт Маккарти, директор NOIRLab
DESI собирает свет от 5000 объектов одновременно с помощью 5000 роботизированных глаз. Он наблюдает новый набор из 5000 объектов каждые 20 минут, что означает, что он наблюдает 100 000 объектов — галактик и квазаров — каждую ночь, при правильных условиях наблюдения.
Данные DESI создают карту крупномасштабной структуры Вселенной. Карта поможет ученым разгадать историю расширения Вселенной и роль темной энергии. Мы не знаем, что такое темная энергия, но знаем, что какая-то сила заставляет расширение Вселенной ускоряться.
«Прибор DESI превратил телескоп Мэйолл в ведущую в мире машину для космической картографии», — сказал Пэт Маккарти, директор NOIRLab, организации, стоящей за DESI. «Команда DESI установила новый стандарт исследования крупномасштабной структуры Вселенной. Эти данные первого года — только начало поисков DESI по разгадке истории расширения Вселенной, и они намекают на грядущую выдающуюся науку».
DESI измеряет темную энергию, полагаясь на барионные акустические колебания (BAO). Барионная материя — это «нормальная» материя: атомы и все, что состоит из атомов. Акустические колебания — это колебания плотности нормальной материи, возникшие еще в зарождении Вселенной. БАО — это отпечаток тех колебаний или волн давления, которые перемещались по Вселенной, когда она была сплошь горячей и плотной плазмой.
По мере того как Вселенная охлаждалась и расширялась, волны плотности замораживали свою рябь на месте, и там, где плотность была высокой, в конечном итоге формировались галактики. Волнистый рисунок BAO виден на главном изображении DESI. На нем показаны нити галактик или нити галактик, сгруппированные вместе. Они разделены пустотами, плотность которых значительно ниже.
Чем глубже смотрит DESI, тем тусклее галактики. Они не дают достаточно света для обнаружения БАО. Вот тут-то и приходят на помощь квазары. Квазары — это чрезвычайно яркие ядра галактик, и свет далеких квазаров создает тень узора БАО. Когда свет проходит через пространство, он взаимодействует с облаками материи и поглощается ими. Это позволило астрономам нанести на карту плотные карманы материи, но для этого потребовалось более 450 000 квазаров. Это наибольшее количество квазаров, когда-либо наблюдавшихся в ходе подобного исследования.
Поскольку узор БАО собран в таких деталях и на таких огромных расстояниях, он может действовать как космический правитель. Объединив измерения близлежащих галактик и далеких квазаров, астрономы могут измерить пульсации в разные периоды истории Вселенной. Это позволяет им увидеть, как темная энергия со временем расширила масштабы исследований.
Все это направлено на понимание расширения Вселенной.
В первые три миллиарда лет существования Вселенной в ней доминировало излучение. Космический микроволновый фон является тому подтверждением. В течение следующих нескольких миллиардов лет во Вселенной доминировала материя. Оно все еще расширялось, но расширение замедлялось из-за гравитационной силы материи. Но с тех пор расширение снова ускорилось, и мы даем название темной энергии силе, стоящей за этим ускорением.
На данный момент данные DESI подтверждают лучшую модель Вселенной, разработанную космологами. Но есть некоторые повороты.
«Мы невероятно гордимся этими данными, которые позволили получить ведущие в мире результаты космологии», — сказал директор DESI и ученый LBNL Майкл Леви. «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».
Леви имеет в виду лямбда-холодную темную материю (Lambda CDM), также известную как стандартную модель космологии Большого взрыва. Лямбда-CDM включает в себя холодную темную материю — слабо взаимодействующий тип материи — и темную энергию. Они оба определяют расширение Вселенной, но разными способами. Темная энергия ускоряет расширение, а обычная материя и темная материя замедляют его. Вселенная развивается на основе вклада всех трёх. Lambda CDM хорошо описывает результаты других экспериментов и наблюдений. Также предполагается, что темная энергия постоянна и равномерно распределена по Вселенной.
Эти данные — лишь первая публикация, поэтому подтверждения эволюции темной энергии придется подождать. К тому времени, когда DESI завершит свою пятилетнюю работу, он нанесет на карту более трех миллионов квазаров и 37 миллионов галактик. Этот огромный массив данных должен помочь ученым понять, меняется ли темная энергия.
Каким бы ни был окончательный ответ, этот вопрос жизненно важен для понимания Вселенной.
«Этот проект решает некоторые из самых важных вопросов астрономии, например, природу загадочной темной энергии, которая управляет расширением Вселенной», — говорит Крис Дэвис, директор программы NSF для NOIRLab. «Исключительные и постоянные результаты, полученные телескопом NSF Mayall совместно с DOE DESI, несомненно, будут стимулировать космологические исследования на многие годы вперед».
DESI — не единственная попытка понять темную энергию. Космический корабль ЕКА «Евклид» уже проводит собственные измерения, чтобы помочь космологам ответить на вопросы о темной энергии.
Через несколько лет у DESI появятся более могущественные союзники в стремлении понять темную энергию. Обсерватория Веры Рубин и Римский космический телескоп Нэнси Грейс внесут свой вклад в наше понимание неуловимой темной энергии. Они проведут собственные исследования, и, объединив данные всех трех, космологи смогут найти долгожданные ответы.
Но сейчас ученые празднуют первый выпуск данных DESI.
«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 тем, как он формирует наше понимание темной энергии во Вселенной».
