Dzięki 5000 maleńkich robotów w teleskopie na szczycie góry badacze mogą spojrzeć w przeszłość o 11 miliardów lat. Światło z odległych obiektów w przestrzeni dociera właśnie do Instrumentu Spektroskopowego Ciemnej Energii (DESI), umożliwiając nam sporządzenie mapy naszego kosmosu takim, jakim był w młodości i prześledzenie jego rozwoju aż do tego, co widzimy dzisiaj. Zrozumienie ewolucji naszego Wszechświata jest powiązane z jego zakończeniem i jedną z największych tajemnic fizyki: ciemną energią, nieznanym składnikiem powodującym coraz szybsze rozszerzanie się Wszechświata.
Aby zbadać wpływ ciemnej energii na przestrzeni ostatnich 11 miliardów lat, w ramach projektu DESI stworzono największą trójwymiarową mapę naszego kosmosu, jaką kiedykolwiek stworzono, zawierającą najdokładniejsze jak dotąd pomiary. Po raz pierwszy naukowcy zmierzyli historię ekspansji młodego wszechświata z dokładnością większą niż 1%, co daje nam najlepszy jak dotąd obraz ewolucji Wszechświata. Naukowcy podzielili się analizą pierwszego roku zebranych danych w wielu artykułach, które zostaną dziś opublikowane w serwisie arXiv oraz podczas przemówień prowadzonych na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego w Stanach Zjednoczonych i Rencontres de Moriond we Włoszech.
„Jesteśmy niesamowicie dumni z danych, które dały wiodące na świecie wyniki w dziedzinie kosmologii i są pierwszymi wynikami nowej generacji eksperymentów z ciemną energią” – powiedział Michael Levi, dyrektor DESI i naukowiec w Lawrence na Wydziale Energii Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), które zarządza projektem. „Jak dotąd widzimy podstawową zgodność z naszym najlepszym modelem Wszechświata, ale widzimy także pewne potencjalnie interesujące różnice, które mogą wskazywać, że ciemna energia ewoluuje w czasie. Mogą one zniknąć wraz z większą ilością danych lub nie, dlatego jesteśmy podekscytowani możliwością rozpoczęcia wkrótce analizy naszego trzyletniego zbioru danych”.
Nasz wiodący model wszechświata znany jest jako Lambda CDM. Obejmuje zarówno słabo oddziałujący rodzaj materii (zimna ciemna materia, CDM), jak i ciemną energię (Lambda). Zarówno materia, jak i ciemna energia kształtują sposób rozszerzania się Wszechświata – ale w przeciwstawny sposób. Materia i ciemna materia spowalniają ekspansję, podczas gdy ciemna energia ją przyspiesza. Ilość każdego z nich wpływa na ewolucję naszego wszechświata. Model ten dobrze opisuje wyniki poprzednich eksperymentów i wygląd Wszechświata w czasie.
Jednakże, gdy wyniki DESI z pierwszego roku połączy się z danymi z innych badań, istnieją pewne subtelne różnice w stosunku do przewidywań Lambda CDM. W miarę jak DESI będzie gromadzić więcej informacji podczas swojego pięcioletniego badania, wstępne wyniki staną się bardziej precyzyjne, rzucając światło na to, czy dane wskazują na różne wyjaśnienia obserwowanych wyników, czy też na potrzebę aktualizacji naszego modelu. Więcej danych poprawi także inne wczesne wyniki DESI, które uwzględniają stałą Hubble'a (miarę szybkości dzisiejszego rozszerzania się Wszechświata) i masę cząstek zwanych neutrinami.
„Żaden eksperyment spektroskopowy nie dostarczył wcześniej tak dużej ilości danych, a my w dalszym ciągu gromadzimy dane z ponad miliona galaktyk co miesiąc” – powiedziała Nathalie Palanque-Delabrouille, naukowiec z Berkeley Lab i współrzeczniczka eksperymentu. „To zdumiewające, że dysponując danymi zaledwie z pierwszego roku, możemy już zmierzyć historię ekspansji naszego wszechświata w siedmiu różnych wycinkach czasu kosmicznego, każdy z dokładnością od 1 do 3%. Zespół włożył ogromną ilość pracy, aby wyjaśniają zawiłości modelowania instrumentalnego i teoretycznego, co daje nam pewność co do wiarygodności naszych pierwszych wyników”.
Ogólna dokładność DESI dotycząca historii ekspansji na przestrzeni wszystkich 11 miliardów lat wynosi 0,5%, a najodleglejsza epoka, obejmująca 8–11 miliardów lat w przeszłości, ma rekordową dokładność na poziomie 0,82%. Wykonanie takiego pomiaru naszego młodego wszechświata jest niezwykle trudne. Jednak w ciągu jednego roku DESI stał się dwukrotnie skuteczniejszy w mierzeniu historii ekspansji w tak wczesnym okresie niż jego poprzednik (BOSS/eBOSS z przeglądu Sloan Digital Sky Survey), co zajęło ponad dekadę.
„Jesteśmy zachwyceni wynikami kosmologii z pierwszego roku działalności DESI” – powiedziała Gina Rameika, zastępca dyrektora ds. fizyki wysokich energii w DOE. „DESI w dalszym ciągu zadziwia nas swoimi znakomitymi wynikami i już kształtuje nasze rozumienie wszechświata”.
Podróż w czasie
DESI to międzynarodowa współpraca ponad 900 badaczy z ponad 70 instytucji na całym świecie. Instrument został skonstruowany i jest obsługiwany dzięki funduszom Biura Naukowego DOE i znajduje się na szczycie 4-metrowego teleskopu Nicholasa U. Mayalla należącego do amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki w Obserwatorium Narodowym Kitt Peak, objętym programem NOIRLab NSF.
Patrząc na mapę DESI, łatwo dostrzec podstawową strukturę Wszechświata: pasma galaktyk skupionych razem, oddzielonych pustkami z mniejszą liczbą obiektów. Nasz bardzo wczesny Wszechświat, daleko poza zasięgiem wzroku DESI, był zupełnie inny: gorąca, gęsta zupa cząstek subatomowych poruszających się zbyt szybko, aby utworzyć stabilną materię, taką jak atomy, które znamy dzisiaj. Wśród tych cząstek znalazły się jądra wodoru i helu, zwane łącznie barionami.
Niewielkie wahania tej wczesnej zjonizowanej plazmy spowodowały fale ciśnienia, przesuwając bariony w wzór zmarszczek podobny do tego, który można zobaczyć, jeśli wrzucisz garść żwiru do stawu. Gdy Wszechświat rozszerzał się i ochładzał, utworzyły się neutralne atomy, a fale ciśnienia ustały, zamrażając zmarszczki w trzech wymiarach i zwiększając gromadzenie się przyszłych galaktyk w gęstych obszarach. Miliardy lat później wciąż możemy zobaczyć ten słaby wzór trójwymiarowych zmarszczek, czyli bąbelków, w charakterystycznym oddzieleniu galaktyk – zjawisko zwane oscylacjami akustycznymi barionów (BAO).
Naukowcy wykorzystują pomiary BAO jako kosmiczną linijkę. Mierząc pozorną wielkość tych bąbelków, mogą określić odległości do materii odpowiedzialnej za ten niezwykle słaby wzór na niebie. Mapowanie bąbelków BAO zarówno bliskich, jak i dalekich pozwala naukowcom podzielić dane na kawałki, mierzyć szybkość rozszerzania się Wszechświata w każdym momencie swojej przeszłości i modelować, jak ciemna energia wpływa na tę ekspansję.
„Zmierzyliśmy historię ekspansji w tym ogromnym zakresie czasu kosmicznego z precyzją, która przewyższa wszystkie poprzednie badania BAO łącznie” – powiedział Hee-Jong Seo, profesor na Uniwersytecie Ohio i współprzewodniczący analizy BAO w DESI. „Jesteśmy bardzo podekscytowani możliwością dowiedzenia się, jak te nowe pomiary poprawią i zmienią nasze rozumienie kosmosu. Ludzi fascynuje nasz wszechświat od zawsze, chcąc wiedzieć zarówno, z czego jest zbudowany, jak i co się z nim stanie”.
Wykorzystanie galaktyk do pomiaru historii ekspansji i lepszego zrozumienia ciemnej energii to jedna z technik, ale może ona sięgać tylko tak daleko. W pewnym momencie światło typowych galaktyk jest zbyt słabe, dlatego badacze zwracają się w stronę kwazarów, niezwykle odległych, jasnych jąder galaktycznych z czarnymi dziurami w centrach. Światło kwazarów jest pochłaniane, gdy przechodzi przez międzygalaktyczne obłoki gazu, co umożliwia naukowcom mapowanie kieszeni gęstej materii i wykorzystywanie ich w taki sam sposób, jak galaktyki – technika znana jako wykorzystanie „lasu Lyman-alfa”.
„Używamy kwazarów jako światła podświetlającego, aby zasadniczo zobaczyć cień gazu pomiędzy kwazarami a nami” – powiedział Andreu Font-Ribera, naukowiec z Instytutu Fizyki Wysokich Energii (IFAE) w Hiszpanii, który współkieruje badaniem Lyman-DESI analiza lasu alfa. „Pozwala nam spojrzeć dalej, do czasów, gdy Wszechświat był bardzo młody. To naprawdę trudny pomiar i bardzo fajnie jest zobaczyć, jak się udało”.
Naukowcy wykorzystali 450 000 kwazarów, czyli największy zestaw, jaki kiedykolwiek zebrano do pomiarów lasów Lyman-alfa, aby rozszerzyć swoje pomiary BAO aż do 11 miliardów lat w przeszłość. Do końca przeglądu DESI planuje zmapować 3 miliony kwazarów i 37 milionów galaktyk.
Najnowocześniejsza nauka
DESI to pierwszy eksperyment spektroskopowy, w którym przeprowadzono w pełni „ślepą analizę”, która ukrywa przed naukowcami prawdziwy wynik, aby uniknąć podświadomego błędu potwierdzającego. Naukowcy pracują w ciemności ze zmodyfikowanymi danymi, pisząc kod umożliwiający analizę swoich odkryć. Gdy wszystko jest już sfinalizowane, wykorzystują swoją analizę do oryginalnych danych, aby uzyskać rzeczywistą odpowiedź.
„Sposób, w jaki przeprowadziliśmy analizę, daje nam pewność co do naszych wyników, a zwłaszcza pokazuje, że las Lyman-alfa jest potężnym narzędziem do pomiaru ekspansji Wszechświata” – powiedział Julien Guy, naukowiec z Berkeley Lab i współprowadzący projekt przetwarzanie informacji ze spektrografów DESI. „Zbiór danych, który gromadzimy, jest wyjątkowy, podobnie jak tempo, w jakim je gromadzimy. To najdokładniejszy pomiar, jakiego kiedykolwiek dokonałem w życiu”.
Dane DESI zostaną wykorzystane do uzupełnienia przyszłych badań nieba, takich jak Obserwatorium Vera C. Rubin i Rzymski Teleskop Kosmiczny Nancy Grace, a także do przygotowania potencjalnej aktualizacji do DESI (DESI-II), co zalecono w niedawnym raporcie US Particle Panel ustalania priorytetów projektów fizycznych.
„Żyjemy w złotej erze kosmologii, w której trwają i wkrótce rozpoczną się badania na dużą skalę oraz opracowywane są nowe techniki umożliwiające jak najlepsze wykorzystanie tych zbiorów danych” – powiedział Arnaud de Mattia, badacz z francuskiej Alternative Energies and Komisja Energii Atomowej (CEA) i współprzewodniczący grupy DESI zajmującej się interpretacją danych kosmologicznych. „Wszyscy jesteśmy naprawdę zmotywowani, aby sprawdzić, czy nowe dane potwierdzą cechy, które zaobserwowaliśmy w naszej próbie z pierwszego roku i pozwolą lepiej zrozumieć dynamikę naszego Wszechświata”.
DESI jest wspierany przez Biuro Naukowe DOE i Narodowe Centrum Obliczeniowe Naukowego Badań nad Energią, obiekt użytkownika Biura Naukowego DOE. Dodatkowego wsparcia dla DESI zapewnia amerykańska Narodowa Fundacja Nauki; Rada ds. Obiektów Naukowych i Technologicznych Wielkiej Brytanii; Fundacja Gordona i Betty Moore; Fundacja Heisinga-Simonsa; francuska Komisja ds. Energii Alternatywnych i Energii Atomowej (CEA); Krajowa Rada Nauk Humanistycznych, Nauk i Technologii Meksyku; Ministerstwo Nauki i Innowacji Hiszpanii; oraz przez instytucje członkowskie DESI.
Współpraca DESI jest zaszczycona otrzymaniem pozwolenia na prowadzenie badań naukowych na Iolkam Du'ag (szczyt Kitt), górze o szczególnym znaczeniu dla narodu Tohono O'odham.