Stel je voor dat je een enkel zaadje plant en, met grote precisie, de exacte hoogte van de boom die eruit groeit kunnen voorspellen. Stel je nu voor dat je naar de toekomst reist en fotografisch bewijs maakt dat je gelijk had.

Als je aan het zaad denkt als het vroege heelal, en de boom als het universum zoals het er nu uitziet, je hebt een idee van wat de samenwerking met de Dark Energy Survey (DES) zojuist heeft gedaan. In een presentatie vandaag op de bijeenkomst van de American Physical Society Division of Particles and Fields in het Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), DES-wetenschappers zullen de meest nauwkeurige meting onthullen die ooit is gemaakt van de huidige grootschalige structuur van het universum.

Deze metingen van de hoeveelheid en "klonterigheid" (of verdeling) van donkere materie in de huidige kosmos werden gedaan met een precisie die, Voor de eerste keer, wedijvert met die van gevolgtrekkingen uit het vroege heelal door het in een baan om de aarde draaiende Planck-observatorium van de European Space Agency. Het nieuwe DES-resultaat (de boom, in de bovenstaande metafoor) komt dicht in de buurt van "voorspellingen" gemaakt van de Planck-metingen uit het verre verleden (het zaad), waardoor wetenschappers meer kunnen begrijpen over de manieren waarop het universum zich gedurende 14 miljard jaar heeft ontwikkeld.

"Dit resultaat is meer dan opwindend, " zei Scott Dodelson van Fermilab, een van de leidende wetenschappers op dit resultaat. "Voor de eerste keer, we kunnen de huidige structuur van het universum zien met dezelfde helderheid als de kinderschoenen, en we kunnen de draden van de ene naar de andere volgen, onderweg bevestigend vele voorspellingen."

Met name, dit resultaat ondersteunt de theorie dat 26 procent van het universum de vorm heeft van mysterieuze donkere materie en dat de ruimte is gevuld met een ook onzichtbare donkere energie, die de versnelde uitdijing van het heelal veroorzaakt en 70 procent uitmaakt.

Paradoxaal genoeg, het is gemakkelijker om de grootschalige klonterigheid van het universum in het verre verleden te meten dan om het vandaag de dag te meten. Bij de eerste 400 000 jaar na de oerknal, het universum was gevuld met een gloeiend gas, waarvan het licht tot op de dag van vandaag voortleeft. Plancks kaart van deze kosmische microgolfachtergrondstraling geeft ons een momentopname van het heelal in die zeer vroege tijd. Vanaf dat moment, de zwaartekracht van donkere materie heeft de massa samengetrokken en het universum in de loop van de tijd klonterig gemaakt. Maar donkere energie heeft teruggevochten, materie uit elkaar duwen. Met de Planck-kaart als start, kosmologen kunnen precies berekenen hoe deze strijd zich over 14 miljard jaar afspeelt.

"De DES-metingen, vergeleken met de Planck-kaart, de eenvoudigste versie van de theorie van donkere materie/donkere energie ondersteunen, " zei Joe Zuntz, van de Universiteit van Edinburgh, die aan de analyse hebben gewerkt. "Het moment dat we ons realiseerden dat onze meting binnen 7 procent overeenkwam met het Planck-resultaat, was opwindend voor de hele samenwerking."

Het primaire instrument voor DES is de 570 megapixel Dark Energy Camera, een van de machtigste die er bestaat, in staat om digitale beelden van licht van sterrenstelsels op acht miljard lichtjaar van de aarde vast te leggen. De camera is gebouwd en getest bij Fermilab, het leidende laboratorium op de Dark Energy Survey, en is gemonteerd op de 4 meter lange Blanco-telescoop van de National Science Foundation, onderdeel van de Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chili, een afdeling van het National Optical Astronomy Observatory. De DES-gegevens worden verwerkt in het National Center for Supercomputing Applications van de University of Illinois in Urbana-Champaign.

Wetenschappers van DES gebruiken de camera om gedurende vijf jaar een achtste van de hemel in ongekend detail in kaart te brengen. Het vijfde jaar van observatie begint in augustus. De nieuwe resultaten die vandaag zijn vrijgegeven, zijn gebaseerd op gegevens die alleen tijdens het eerste jaar van de enquête zijn verzameld, die 1/30ste van de hemel beslaat.

"Het is verbazingwekkend dat het team erin is geslaagd om vanaf het eerste jaar van hun onderzoek zo'n precisie te bereiken, " zei Nigel Sharp, programmadirecteur van de National Science Foundation. "Nu hun analysetechnieken zijn ontwikkeld en getest, we kijken reikhalzend uit naar baanbrekende resultaten terwijl het onderzoek doorgaat."

DES-wetenschappers gebruikten twee methoden om donkere materie te meten. Eerst, ze maakten kaarten van sterrenstelsels als tracers, en ten tweede, ze maten precies de vormen van 26 miljoen sterrenstelsels om de patronen van donkere materie over miljarden lichtjaren direct in kaart te brengen, met behulp van een techniek genaamd zwaartekrachtlensing.

Om deze ultraprecieze metingen te doen, het DES-team nieuwe manieren heeft ontwikkeld om de minuscule lensvervormingen van sterrenstelsels te detecteren, een effect dat zelfs niet zichtbaar is voor het oog, revolutionaire vooruitgang mogelijk maken in het begrijpen van deze kosmische signalen. In het proces, ze creëerden de grootste gids voor het spotten van donkere materie in de kosmos die ooit is getekend (zie afbeelding). De nieuwe donkere-materiekaart is tien keer zo groot als de kaart die DES in 2015 uitbracht en zal uiteindelijk drie keer zo groot zijn als nu.

"Het is een enorme teaminspanning en het resultaat van jarenlang geconcentreerd werken, " zei Erin Sheldon, een natuurkundige bij het Brookhaven National Laboratory van de DOE, die de nieuwe methode voor het detecteren van lensvervormingen mede heeft ontwikkeld.

Deze resultaten en andere van het eerste jaar van de Dark Energy Survey worden vandaag online vrijgegeven en aangekondigd tijdens een lezing door Daniel Gruen, NASA Einstein fellow bij het Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology bij DOE's SLAC National Accelerator Laboratory, om 17.00 uur Centrale tijd. Het gesprek maakt deel uit van de APS Division of Particles and Fields-bijeenkomst in Fermilab en zal live worden gestreamd.

De resultaten zullen ook worden gepresenteerd door Kavli-collega Elisabeth Krause van het Kavli Insitute for Particle Astrophysics and Cosmology bij SLAC op de TeV Particle Astrophysics Conference in Columbus, Ohio, op 9 augustus; en door Michael Troxel, postdoctoraal onderzoeker bij het Center for Cosmology and AstroParticle Physics aan de Ohio State University, op het International Symposium on Lepton Photon Interactions bij High Energies in Guanzhou, China, op 10 augustus. Alle drie deze sprekers zijn coördinatoren van DES-wetenschappelijke werkgroepen en hebben belangrijke bijdragen geleverd aan de analyse.

"The Dark Energy Survey heeft al enkele opmerkelijke ontdekkingen en metingen opgeleverd, en ze hebben nauwelijks de oppervlakte van hun gegevens bekrast, " zei Nigel Lockyer, directeur van Fermilab. "De toonaangevende resultaten van vandaag wijzen vooruit naar de grote stappen die DES de komende jaren zal zetten in het begrijpen van donkere energie."