Als astronoom, er is geen beter gevoel dan het bereiken van "first light" met een nieuw instrument of telescoop. Het is de bekroning van jarenlange voorbereidingen en constructie van nieuwe hardware, die voor het eerst lichtdeeltjes van een astronomisch object verzamelt. Dit wordt meestal gevolgd door een zucht van verlichting en dan de opwinding van alle nieuwe wetenschap die nu mogelijk is.

Op 22 oktober, het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) op de Mayall Telescope in Arizona, ONS, het eerste licht bereikt. Dit is een enorme sprong voorwaarts in ons vermogen om afstanden van sterrenstelsels te meten, waardoor een nieuw tijdperk van het in kaart brengen van de structuren in het universum mogelijk wordt. Zoals de naam aangeeft, het kan ook de sleutel zijn tot het oplossen van een van de grootste vragen in de natuurkunde:wat is de mysterieuze kracht die 'donkere energie' wordt genoemd en die 70 procent van het universum vormt?

De kosmos is klonterig. Sterrenstelsels leven samen in groepen van enkele tot tientallen sterrenstelsels. Er zijn ook clusters van enkele honderden tot duizenden sterrenstelsels en superclusters die veel van dergelijke clusters bevatten.

Deze hiërarchie van het universum is bekend vanaf de eerste kaarten van het universum, die eruitzag als een "stickman" in grafieken door het baanbrekende Center for Astrophysics (CfA) Redshift Survey. Deze opvallende beelden waren de eerste glimp van grootschalige structuren in het universum, sommige beslaan honderden miljoenen lichtjaren in doorsnede.

Het CfA-onderzoek werd moeizaam geconstrueerd, één sterrenstelsel tegelijk. Dit omvatte het meten van het spectrum van het melkweglicht - een splitsing van het licht door golflengte, of kleur—en het identificeren van de vingerafdrukken van bepaalde chemische elementen (meestal waterstof, stikstof en zuurstof).

Deze chemische kenmerken worden door de uitdijing van het heelal systematisch verschoven naar langere, rodere golflengten. Deze "roodverschuiving" werd voor het eerst gedetecteerd door de astronoom Vesto Slipher en gaf aanleiding tot de nu beroemde Wet van Hubble - de waarneming dat verder weg gelegen sterrenstelsels in een sneller tempo lijken weg te bewegen. Dit betekent dat sterrenstelsels die dichtbij zijn in vergelijking relatief langzaam lijken weg te bewegen - ze zijn minder roodverschoven dan sterrenstelsels ver weg. Daarom, het meten van de roodverschuiving van een melkwegstelsel is een manier om de afstand te meten.

Cruciaal, de exacte relatie tussen roodverschuiving en afstand hangt af van de expansiegeschiedenis van het heelal die theoretisch kan worden berekend met behulp van onze zwaartekrachttheorie en onze aannames van de materie- en energiedichtheid van het heelal.

Al deze aannames werden uiteindelijk rond de eeuwwisseling getest met de combinatie van nieuwe waarnemingen van het heelal, inclusief nieuwe 3D-kaarten van grotere roodverschuivingsonderzoeken. Vooral, de Sloan Digital Sky Survey (SDSS) was de eerste speciale roodverschuivingstelescoop die meer dan een miljoen roodverschuivingen van sterrenstelsels heeft gemeten, het in kaart brengen van de grootschalige structuur in het heelal tot ongekende details.

De SDSS-kaarten bevatten honderden superclusters en filamenten en hielpen bij het doen van een onverwachte ontdekking:donkere energie. Ze toonden aan dat de materiedichtheid van het universum veel minder was dan verwacht op basis van de kosmische microgolfachtergrond, dat is het licht dat overblijft na de oerknal. Dat betekende dat er een onbekende stof moest zijn, donkere energie genoemd, die een versnelde uitdijing van het heelal veroorzaken en steeds meer verstoken raken van materie.

De puzzel

De combinatie van al deze waarnemingen luidde een nieuw tijdperk van kosmologisch begrip in met een universum dat voor 30 procent uit materie en voor 70 procent donkere energie bestaat. Maar ondanks het feit dat de meeste natuurkundigen nu hebben geaccepteerd dat er zoiets bestaat als donkere energie, we weten nog steeds niet de exacte vorm ervan.

Er zijn wel meerdere mogelijkheden. Veel onderzoekers geloven dat de energie van het vacuüm gewoon een bepaalde waarde heeft, ook wel een "kosmologische constante" genoemd. Andere opties zijn de mogelijkheid dat Einsteins enorm succesvolle zwaartekrachttheorie onvolledig is wanneer toegepast op de enorme schaal van het hele universum.

Nieuwe instrumenten zoals DESI zullen helpen om de volgende stap te zetten in het oplossen van het mysterie. Het zal tientallen miljoenen roodverschuivingen van sterrenstelsels meten, beslaat een enorm volume van het universum tot tien miljard lichtjaar van de aarde. Zo'n geweldige, gedetailleerde kaart zou in staat moeten zijn om een ​​paar belangrijke vragen over donkere energie en het ontstaan ​​van grootschalige structuren in het universum te beantwoorden.

Bijvoorbeeld, het zou ons moeten kunnen vertellen of donkere energie slechts een kosmologische constante is. Om dit te doen, zal het de verhouding meten van de druk die donkere energie op het universum uitoefent tot de energie per volume-eenheid. Als donkere energie een kosmologische constante is, deze verhouding moet constant zijn in zowel kosmische tijd als locatie. Voor andere verklaringen, echter, deze verhouding zou variëren. Elke indicatie dat het geen constante is, zou revolutionair zijn en tot intensief theoretisch werk leiden.

DESI moet ook kunnen beperken, en zelfs doden, veel theorieën over gemodificeerde zwaartekracht, mogelijk een nadrukkelijke bevestiging van Einsteins algemene relativiteitstheorie op de grootste schaal. Of het tegenovergestelde - en nogmaals, dat zou een revolutie teweegbrengen in de theoretische natuurkunde.

Een andere belangrijke theorie die getest zal worden met DESI is Inflatie, die voorspelt dat kleine willekeurige kwantumfluctuaties van energiedichtheid in het oeruniversum exponentieel werden uitgebreid tijdens een korte periode van intense groei om de zaden te worden van de grootschalige structuren die we vandaag zien.

DESI is slechts een van de vele missies en experimenten met donkere energie van de volgende generatie die in het volgende decennium zullen plaatsvinden, dus er is zeker reden om optimistisch te zijn dat we binnenkort het mysterie van donkere energie kunnen oplossen. Nieuwe satellietmissies zoals Euclid, en enorme observatoria op de grond, zoals de Large Synoptic Survey Telescope, zal ook inzichten bieden.

Er zullen ook andere roodverschuivingsinstrumenten zijn, zoals DESI, waaronder 4MOST bij de European Southern Observatory. Samen, deze zullen zorgen voor honderden miljoenen roodverschuivingen over de hele hemel die leiden tot een onvoorstelbare kaart van onze kosmos.

Het lijkt lang geleden dat ik mijn Ph.D. proefschrift gebaseerd op slechts 700 roodverschuivingen van sterrenstelsels. Het laat echt zien dat het een opwindende tijd is om astronoom te zijn.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.