Een van de grootste mysteries in de wetenschap begon met een stervende ster.

Het was niet een bepaalde stervende ster, maar het idee ervan. In 1980, Saul Perlmutter van het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) van het Department of Energy (DOE) en zijn medewerkers realiseerden zich dat ze gegevens over supernova's konden gebruiken om de geschiedenis van het universum te onderzoeken. Supernova's zijn extreem heldere exploderende sterren die een groot deel van hun massa de ruimte in werpen voordat ze wegknipogen.

Gelukkig, De helderheid van Type Ia supernova's is zeer consistent. Zelfs als hun werkelijke helderheid varieert, het doet dit op een voorspelbare manier. Door metingen van hoe helder deze supernova's in telescopen verschijnen te vergelijken met hun werkelijke helderheid, samen met metingen van licht van hun eigen sterrenstelsels, wetenschappers kunnen hun leeftijd en afstand tot ons achterhalen. Met behulp van die, ze kunnen inschatten hoe het heelal in de loop van de tijd is uitgebreid.

In de loop van een decennium, Het team van Perlmutter verzamelde voldoende gegevens om een ​​verband te zoeken tussen de helderheid van een supernova en de afstand tot de aarde. Ze verwachtten dat zeer verre supernovae een beetje helderder zouden lijken dan in een uitdijend heelal dat niet vertraagde in zijn groei.

De gegevens onthulden iets heel anders.

De supernova's leken allemaal zwakker dan ze zouden moeten voor hun afstand. Aanvankelijk, de wetenschappers dachten dat het gewoon een bizarre reeks gegevens was. "Als je een geweldig nieuw resultaat ziet, je eerste gedachte is niet 'Eureka!, ' zijn, 'Dat is een interessant uitziende grafiek, '" zei Perlmutter. Hij en zijn team besteedden meer dan zes maanden aan het controleren van elk aspect van de grafiek, op zoek naar een aspect van de analyse dat mogelijk fout is.

Het was niet.

In feite, het toonde het tegenovergestelde aan:het heelal dijde steeds sneller uit. De implicatie hiervan was dramatisch. Om de gegevens te laten werken met Einsteins algemene relativiteitstheorie - de basis van de astrofysica - moet 70 procent van de energie van het universum afkomstig zijn van een onbekende bron.

Er ontbrak iets - veel van iets - in ons fundamentele begrip van het universum.

Terwijl Perlmutter zich voorbereidde op een komende conferentie, hij bracht een reeks wijzigingen aan in zijn plastic transparanten om de nieuwe resultaten te presenteren. "Je weet dat het een heel groot, significant resultaat, maar dat maakt je nog voorzichtiger, "zei hij. "Tegen de tijd dat je het in het openbaar zegt, je bent er al zo lang mee bezig dat het voor jou niet als een verrassing voelt."

Maar voor het publiek zijn toespraak in 1998 maakte grote golven. Niet lang daarna, een concurrerend team presenteerde hetzelfde resultaat. In 2011, Perlutter, Brian Schmidt, en Adam Riess ontving de Nobelprijs voor de natuurkunde voor de ontdekking.

Omdat we niet weten wat het universum steeds sneller naar buiten duwt, "donkere energie" is de afkorting van wetenschappers voor het mysterieuze proces. Om de geschiedenis van ons universum te begrijpen, onderzoekers ondersteund door het DOE Office of Science werken samen met wetenschappers over de hele wereld om uitgebreide 3D-kaarten van ruimte en tijd te bouwen.

Gezien de mogelijkheden

Wat donkere energie ook is, het is raar. Geen van de mogelijkheden past bij het begrip van wetenschappers van natuurkunde.

De eerste mogelijkheid is dat het de 'kosmologische constante' is. Toen Albert Einstein de vergelijkingen ontwikkelde die de algemene relativiteitstheorie beschrijven, hij nam aan dat het universum even groot zou blijven. Om tegenwicht te bieden aan de zwaartekracht die het universum naar binnen trekt, hij bleef hangen in een variabele, de kosmologische constante, wat aangeeft dat er iets naar buiten duwde. Toen Edwin Hubble ontdekte dat het heelal uitdijde, Einstein verwijderde de constante. Toen ze ontdekten dat er iets mysterieus naar buiten duwde, wetenschappers keerden terug naar het idee van Einstein. Helaas, de getallen uit de experimentele gegevens zijn 10 ¹²⁰ keer kleiner dan de verwachtingen voor een kosmologische constante in de vergelijkingen.

Er zijn nog twee mogelijkheden. De tweede is dat donkere energie een onbekende vorm van energie is die in de loop van de tijd is veranderd. De derde mogelijkheid is dat de algemene relativiteitstheorie niet verklaart wat er op de grootste schalen gebeurt. In plaats daarvan, het zou een benadering zijn van een nog algemenere theorie. Dat zou een sleutel zijn in een van onze meest succesvolle pijlers van de astrofysica.

Meer dan alleen het begin van het universum

Door uit te zoeken hoe de structuur van het universum in de loop van de tijd is veranderd, kunnen wetenschappers bepalen of donkere energie constant is of niet.

Wetenschappers weten al hoe het universum er in de begindagen uitzag, ongeveer 10 miljard jaar geleden. Ze hebben de kosmische microgolfachtergrond bestudeerd, een reeks vage hittesignaturen overgebleven uit die tijd. Door deze aanhoudende straling te onderzoeken, wetenschappers kunnen de patronen van dichtheid en straling al lang geleden uitwerken.

Het is het moeilijkste om uit te zoeken wat er vanaf 10 miljard jaar geleden is gebeurd. Dankbaar, wetenschappers hebben zoiets als tijdreizen beschikbaar als het gaat om objecten die extreem ver weg zijn. Omdat licht tijd nodig heeft om op aarde te komen, extreem krachtige telescopen kijken niet naar moderne sterren. In plaats daarvan, wetenschappers zien hoe die sterren er duizenden uitzagen, miljoenen, en zelfs miljarden jaren geleden, afhankelijk van hoe ver ze zijn. Door achteruit te kijken naar steeds verder weg gelegen sterren kunnen ze kaarten maken die de lengte in kaart brengen, breedte, en afstand in de tijd.

Hoe het universum te meten?

Voor een kaart van dit type, wetenschappers hebben speciaal gereedschap nodig dat is gebaseerd op de sterren en sterrenstelsels zelf.

Type Ia supernova's zijn de eerste optie. Om deze methode te gebruiken, moeten wetenschappers nieuwe supernova-metingen doen met veel hogere precisie op een groter afstandsbereik. "Bijna alle grote reeks theorieën passen in de gegevens en zouden niet van elkaar te onderscheiden zijn, behalve met zeer, zeer hoge precisie metingen, ’ zei Perlmutter.

Hoewel DOE's Office of Science verschillende projecten ondersteunt die deze zeer nauwkeurige metingen kunnen uitvoeren, andere technieken zijn ook nodig. Voor iets dat zo buiten het domein van de bekende natuurkunde ligt, wetenschappers willen meerdere methoden om resultaten te vergelijken.

De volgende tool is het analyseren van de Baryon Acoustic Oscillation (BAO). Zoals de kosmische microgolfachtergrond, de BAO is een overblijfsel van de vroege dagen van het universum. Niet lang na de oerknal, het plasma waaruit alles bestond, breidde zich uit, golven van dichtheid en druk creëren. ongeveer 370, 000 jaar later, het plasma gekoeld, het "bevriezen" van de drukgolven. De kuifgolven lieten aan het begin en het einde klompjes materie achter. Naarmate het universum groeide, die golfpatronen strekten zich uit.

Nutsvoorzieningen, de patronen zijn gedrukt op de verdeling van alle materie. Door te kijken hoe de patronen van de kosmische microgolfachtergrond (die het begin van het heelal weerspiegelen) verschillen van de patronen van de BAO (die het middelste en huidige heelal weerspiegelen), wetenschappers kunnen veranderingen in de verdeling van materie in de tijd in kaart brengen. "Het is gebaseerd op de fundamentele fysica vanaf het begin van het universum, " zei Parker Fagrelius, een LBNL-onderzoeker.

Als dat niet geestverruimend genoeg was, een andere techniek genaamd zwakke zwaartekrachtlensing meet hoe massieve objecten de vorm van sterrenstelsels vervormen. Sterrenstelsels zijn zo groot dat ze de ruimte buigen, samen met het licht van andere sterrenstelsels erachter. Wanneer een telescoop op aarde een foto maakt van de achtergrondsterrenstelsels, hun vormen zijn uitgerekt in vergelijking met hun ware vormen. Door deze kleine vervorming in de vorm van de achtergrondsterrenstelsels op verschillende posities te meten, wetenschappers kunnen de massa van de voorgrond achterhalen. Deze techniek kan hen ook helpen de materieverdeling in kaart te brengen, inclusief zichtbare en donkere materie. "Het is een van de schoonste manieren om de massa te meten, " zei Maria Elidaiana da Silva Pereira, een onderzoeker aan de Brandeis University die werkt aan de Dark Energy Survey.

De laatste optie is het meten van de eigenschappen van clusters van sterrenstelsels, of groepen sterrenstelsels. De grootste clusters onthullen waar het vroege heelal het dichtst was. "Ze kunnen ons veel vertellen over de groei en vorming van structuren in het universum, " zei Antonella Palmese, een onderzoeker bij DOE's Fermi National Accelerator Laboratory.

Niet je gemiddelde digitale camera

Wetenschappers hebben ook de keuze uit verschillende opties als het gaat om het nemen van gegevens.

Imaging surveys zijn telescopen met gigantische digitale camera's. Ze nemen grote, weidse foto's van de lucht met enorme aantallen sterrenstelsels en supernova's. Wetenschappers analyseren de helderheid en kleur van de objecten, die hen informatie geeft over hun afstand en massa.

De donkere energie-enquête, die wordt ondersteund door een internationale groep die DOE's Office of Science omvat, biedt de meest uitgebreide set beeldgegevens die beschikbaar is. Deze beelden komen van een 520 megapixel camera; in vergelijking, point-and-shoot camera's zijn 16 tot 20 megapixels. Gemonteerd op een telescoop in Chili, de Dark Energy Camera nam vijf jaar lang foto's van ongeveer een kwart van de zuidelijke hemel. Tegen de tijd dat het klaar was met het verzamelen van gegevens in januari 2019, het had foto's van meer dan 300 miljoen sterrenstelsels, tienduizenden clusters van sterrenstelsels, en enkele duizenden Type Ia supernova's. "Er was niets zo krachtig als de Dark Energy Survey in termen van aantal sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels, ' zei Palmees.

Door naar zoveel sterrenstelsels te kijken, kregen wetenschappers een ongekende kijk op zwakke zwaartekrachtlenzen. Het team heeft tot nu toe de meest nauwkeurige meting gedaan van hoe materie in het universum is verdeeld. Met die observaties ze maakten een model van een universum bestaande uit donkere energie en donkere materie alsof donkere energie constant was in de tijd (wat het zou zijn als het de kosmologische constante was) en als het niet zo was (een andere kracht). Als de resultaten van de modellen die de Dark Energy Survey-gegevens gebruiken en de resultaten van de kosmische microgolfachtergrond overeenkomen, het zou hebben bevestigd dat het kosmologische constante-model goed werkt. Met andere woorden, het zou aantonen dat donkere energie een kosmologische constante is.

De resultaten waren dichtbij, maar niet helemaal hetzelfde. Terwijl de gegevens naar de constante leunden, het was niet sterk genoeg om te zeggen of er een echte discrepantie is tussen de hoeveelheid materie gemeten door de Dark Energy Survey en de resultaten van de kosmische microgolfachtergrond. Dat zou kunnen wijzen op problemen met het model zelf.

Het volgende grote ding

In tegenstelling tot de digitale camera's van imaging surveys, spectroscopische onderzoeken hebben bundels glasvezelkabels, die elk licht van een ander sterrenstelsel verzamelen. Deze bundels bieden soorten informatie over de zichtbare en niet-zichtbare golflengten van licht die verschillen van wat wetenschappers uit foto's kunnen halen. Deze informatie levert nauwkeurige details over de afstand en snelheid van een object. Echter, een spectroscopisch onderzoek kan slechts gegevens over een fractie van de objecten nemen die een beeldvormend onderzoek kan.

Het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) is de volgende stap voorwaarts. Een spectroscopisch instrument geïnstalleerd op de Mayall-telescoop in Arizona, DESI begint begin volgend jaar met het verzamelen van gegevens over de noordelijke hemel. Wat DESI uniek maakt in vergelijking met eerdere enquêtes, is de enorme hoeveelheid gegevens die het kan opnemen. Het zal gegevens kunnen verzamelen over het lichtspectrum van ultraviolet tot infrarood op 5, 000 sterrenstelsels tegelijk.

"Het opent echt de kosmologische tijdlijn, " zei Fagrelius, die een groot deel van haar carrière aan het project heeft gewerkt. "Het is echt spannend." DESI zou resultaten voor de BAO moeten opleveren die drie keer nauwkeuriger zijn dan alle eerdere berekeningen gecombineerd, evenals diepgaande gegevens over lensvorming en melkwegclusters. Door deze resultaten te combineren, kunnen we het beste inzicht krijgen in hoe donkere energie zich in de loop van de tijd heeft gedragen.

Met deze tools en de Large Synoptic Survey Telescope - die naar verwachting in 2023 in Chili wordt gelanceerd - verwachten wetenschappers een nauwkeurige beschrijving van donkere energie vast te leggen.

Maar het is waarschijnlijk dat het onderzoek meer vragen zal oproepen dan het beantwoordt. Ten slotte, dit onderzoek begon omdat Perlmutter en zijn team probeerden te achterhalen in hoeverre de uitdijing van het heelal vertraagt. Ze hadden nooit verwacht het tegenovergestelde te vinden.

"Waar ik enthousiast over ben, is wat we niet verwachten te zien, " zei Fagrelius. "Met deze hoeveelheid gegevens, we gaan dingen ontdekken waarvan we niet wisten dat we ze zochten."