Голяма стъпка напред: изследователите от DESI създадоха най-голямата триизмерна карта на нашата Вселена (видео)

С помощта на 5000 малки робота в телескоп, разположен на планински връх, изследователите могат да надникнат 11 милиарда години в миналото. Светлината от далечни космически обекти едва сега достига до Спектроскопския инструмент Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), което ни позволява да картографираме космоса такъв, какъвто е бил в младостта си. Както и да проследим еволюцията му до това, което виждаме днес.

Разбирането на това как се е развила нашата Вселена е свързано с това как ще завърши тя. Това е и една от най-големите загадки във физиката: тъмната енергия – неизвестната съставка, която кара Вселената да се разширява все по-бързо.

За да проучи влиянието на тъмната енергия през последните 11 милиарда години, DESI създаде най-голямата триизмерна карта на нашия Космос, създавана някога, с най-точните измервания досега. За първи път учените измериха историята на разширяването на младата Вселена с точност над 1%, което ни дава по-добра представа за това как се е развивала Вселената.

Изследователите споделиха своите анализи на данните, събрани през първата година. Това са няколко статии, които ще бъдат постепенно публикувани на сървъра за предварителни публикации arXiv. Както и презентации на срещата на Американското физическо общество в САЩ и на конференцията Rencontres de Moriond в Италия.

„Изключително сме горди с тези данни, които доведоха до водещи в света космологични резултати и са първите резултати от ново поколение експерименти с тъмна енергия“.

Това са думите на Майкъл Леви, директор на DESI и учен от Националната лаборатория „Лорънс Бъркли“ към Министерството на енергетиката, която ръководи проекта.

„Досега като цяло наблюдавахме съответствие с нашия най-добър модел на Вселената, но видяхме и някои потенциално интересни разлики. Те могат да означават, че тъмната енергия се развива с течение на времето. Те могат да изчезнат или да не изчезнат с увеличаването и натрупването на повече данни, така че с нетърпение очакваме да започнем да анализираме нашия тригодишен набор от данни“.

Нашият водещ модел на Вселената е известен като Lambda CDM. Той включва както слабо взаимодействащ тип материя (студена тъмна материя, или CDM), така и тъмна енергия (Lambda). Както материята, така и тъмната енергия определят как се разширява Вселената, но по противоположни начини. Материята и тъмната материя забавят разширяването, докато тъмната енергия го ускорява. Количеството на всеки от тези компоненти влияе върху еволюцията на нашата Вселена. Този модел се справя добре с описанието на резултатите от предишни експерименти и на това как изглежда Вселената с течение на времето.

Въпреки това, когато резултатите от първата година на DESI се комбинират с данните от други изследвания, се разкриват някои фини разлики с това, което предсказва Lambda CDM. Тъй като DESI събира повече данни в хода на петгодишното изследване, тези ранни резултати ще станат по-точни. По този начин ще се изясни дали данните насочват към други обяснения на наблюдаваните резултати или към необходимостта от актуализиране на този модел.

Допълнителните данни ще подобрят и другите първоначални резултати на DESI. Те се отнасят до константата на Хъбъл (мярка за това колко бързо се разширява Вселената днес). Както и до масата на частиците неутрино.

„Никой спектроскопски експеримент не е събирал толкова много данни, а ние продължаваме да събираме данни за повече от един милион галактики всеки месец“,

казва Натали Паланке-Делабрюй, учен от Лабораторията Бъркли и един от авторите на експеримента.

„Удивително е, че само с данните от първата година вече можем да измерим историята на разширяването на нашата Вселена в седем различни участъка от космическото време, всеки от които с точност от 1 до 3 процента. Екипът е свършил чудесна работа по отчитане на инструменталните и теоретичните тънкости на моделирането, което ни дава увереност в надеждността на първите ни резултати“.

Общата точност на измерването на историята на разширяването на DESI за всичките 11 милиарда години е 0,5%. А за най-отдалечената епоха, обхващаща 8-11 милиарда години в миналото, точността е рекордна – 0,82%. Подобно измерване на еволюцията на нашата млада Вселена е изключително трудно да се направи.

Въпреки това за една година DESI стана два пъти по-мощен в измерването на историята на разширяването в тези ранни времена. Това е в сравнение от неговия предшественик (BOSS/eBOSS Sloan Digital Sky Survey), чието завършване отне повече от десетилетие.

„Развълнувани сме да видим космологичните резултати от първата година на DESI“, каза Джина Рамейка, заместник-директор по физика на високите енергии в Министерството на енергетиката. „DESI продължава да ни изненадва със звездната си работа и вече оформя нашето разбиране за Вселената“.

Пътуване в миналото

DESI е международно сътрудничество на над 900 изследователи от повече от 70 институции в целия свят. Инструментът е инсталиран на 4-метровия телескоп Николас У. Мейъл в Националната обсерватория Кит Пик като част от програмата NOIRLab на Националната научна фондация на САЩ.

При разглеждане на картата DESI лесно се вижда основната структура на Вселената. Това са струпвания на галактики, разделени от празнини с по-малко обекти. Нашата ранна Вселена, далеч отвъд линията на наблюдение на DESI, е била много различна. Тя е била гореща, плътна супа от субатомни частици, които се движат твърде бързо, за да образуват стабилна материя като познатите ни днес атоми.

Сред тези частици са ядрата на водорода и хелия, т.е. барионната материя. Малките колебания в тази ранна йонизирана плазма предизвикват вълни на налягане, които раздвижват барионите в пулсации. Те приличат на тези, които можете да видите, когато хвърлите шепа камъчета в езеро. С разширяването и охлаждането на Вселената се образуват неутрални атоми и вълните на налягане спират. По този начин се замразяват пулсациите в трите измерения и се увеличава струпването на бъдещите галактики в плътни региони.

Милиарди години по-късно все още можем да наблюдаваме една сравнително слаба картина от триизмерни пулсации или мехурчета в характерното разделяне на галактиките. Това е характеристика, която получи името „барионни акустични осцилации“ (BAO).

Изследователите използват измерванията на ВАО като космическа линийка. Като измерват видимия размер на тези мехурчета, те могат да определят разстоянието до материята, отговорна за този изключително слаб модел в небето. Картографирането на мехурчетата BAO отблизо и от разстояние дава възможност на изследователите да разделят данните на части, да измерват скоростта на разширяване на Вселената във всеки момент от нейното минало и да моделират как тъмната енергия влияе на това разширяване.

„Измерихме историята на разширението в този огромен диапазон на пространство-времето с точност, която надминава всички предишни изследвания на BAO, взети заедно“, казва Хи-Джонг Сео, професор в Университета в Охайо и съръководител на анализа на BAO в DESI. „Развълнувани сме да видим как тези нови измервания ще подобрят и променят разбирането ни за космоса. Хората са винаги очаровани от еволюцията на нашата Вселена. Всички искаме да знаем от какво е изградена тя и какво ще се случи с нея по-нататък“.

Използването на галактики за измерване на историята на разширяването и за по-добро разбиране на тъмната енергия е един от методите, но той може да даде много. В определен момент светлината от обикновените галактики става твърде слаба, затова изследователите се обръщат към квазарите. Това са изключително отдалечени ярки галактични ядра с черни дупки в техния център. Светлината от квазарите се поглъща, докато преминава през междугалактическите облаци от газ, което позволява на изследователите да картографират клъстери от плътна материя. Както и да ги използват по същия начин, както галактиките – техника, известна като използване на „гората на Лайман-алфа“.

„Използваме квазарите като подсветка, за да видим сянката на междинния газ между квазарите и нас“, казва Андреу Фонт-Рибера, учен от Института по физика на високите енергии (IFAE) в Испания, който е един от ръководителите на анализа на Лиман-алфа гората в DESI. „Това ни позволява да погледнем по-назад. Към времето, когато Вселената е била още много млада. Това е много предизвикателно измерване и е чудесно, че успяхме да го направим“.

Изследователите са използвали 450 000 квазара. Това е най-големият набор, събиран някога за тези измервания на Лайман-алфа гората, за да разширят измерванията на BAO до 11 милиарда години в миналото. DESI възнамерява до края на изследването да картографира 3 милиона квазара и 37 милиона галактики.

Съвременната наука

DESI е първият спектроскопски експеримент, при който се извършва напълно „сляп анализ“. При него истинският резултат е скрит от учените, за да се избегне подсъзнателното предубеждение за потвърждение. Изследователите работят на тъмно с променените данни, като съставят код за анализ на своите открития. Когато всичко е готово, те прилагат своя анализ към оригиналните данни, за да открият истинския отговор.

„Начинът, по който направихме анализа, ни дава увереност в нашите резултати и най-вече в това, че гората на Лайман-алфа е мощен инструмент за измерване на разширяването на Вселената“,

казва Жулиен Ги, учен от Лабораторията Бъркли.

Той е и един от ръководителите на обработката на информацията от спектрографите DESI.

„Наборът от данни, който събираме, е изключителен, както и скоростта, с която го събираме. Това е най-точното измерване, което някога съм правил през живота си“.

Този 360-градусов видеоклип предлага интерактивен полет през милиони галактики, картографирани с помощта на координатните данни на DESI.

Данните от DESI ще бъдат използвани за допълване на бъдещи изследвания на небето, като например обсерваторията „Вера К. Рубин“ и космическия телескоп „Нанси Грейс Роман“. Както и за подготовка за евентуално надграждане на DESI (DESI-II), което беше препоръчано в неотдавнашен доклад на Групата за определяне на приоритетите на американските проекти в областта на физиката на частиците.

„Намираме се в златната ера на космологията: вече се провеждат и предстои да започнат мащабни изследвания. Разработват се нови техники, за да се използват по най-добрия начин тези набори от данни„, казва Арно дьо Матиа, изследовател във Френската комисия за алтернативни енергии и атомна енергия (CEA). Той е един от ръководителите на екипа на DESI, който интерпретира космологичните данни.

„Всички ние сме много заинтересовани да видим дали новите данни ще потвърдят характеристиките, които видяхме в извадката от първата година, и ще разберем по-добре динамиката на нашата Вселена“, каза още той.

каза още той.