Het universum dat we zien is slechts het uiterste topje van de enorme kosmische ijsberg.

De honderden miljarden sterrenstelsels die het bevat, elk van hen herbergt miljarden sterren, planeten en manen, evenals massieve ster-en-planeetvormende wolken van gas en stof, en al het zichtbare licht en andere energie die we kunnen detecteren in de vorm van elektromagnetische straling, zoals radiogolven, gammastraling en röntgenstraling, kortom alles wat we ooit met onze telescopen hebben gezien - maakt slechts ongeveer 5% uit van alle massa en energie in het universum.

Naast deze zogenaamde normale materie is er ook donkere materie, die niet te zien is, maar kan worden waargenomen door zijn zwaartekrachteffect op normaal, zichtbare materie, en vormt nog eens 27% van het universum. Voeg ze samen, en ze zijn in totaal slechts 32% van de massa van het universum - dus waar is de andere 68%?

Donkere energie.

Dus wat is donkere energie precies? Simpel gezegd, het is een mysterieuze kracht die het universum naar buiten duwt en ervoor zorgt dat het sneller uitdijt naarmate het ouder wordt, verwikkeld in een kosmisch touwtrekken met donkere materie, die probeert het universum samen te trekken. Verder dan dat, we begrijpen nog niet wat donkere energie is, maar Penn State-astronomen vormen de kern van een groep die ernaar streeft om erachter te komen via een uniek en ambitieus project dat 16 jaar in de maak is:HETDEX, het Hobby-Eberly Telescope Dark Energy-experiment.

"HETDEX heeft het potentieel om het spel te veranderen, " zei universitair hoofddocent astronomie en astrofysica Donghui Jeong.

Donkere energie en het uitdijende heelal

Tegenwoordig is er onder astronomen consensus dat het universum dat we bewonen uitdijt, en dat zijn expansie versnelt, maar het idee van een uitdijend heelal is minder dan een eeuw oud, en het idee dat donkere energie (of iets anders) die expansie versnelt, bestaat pas iets meer dan 20 jaar.

Toen Albert Einstein in 1917 zijn algemene relativiteitstheorie toepaste om het universum als geheel te beschrijven, de basis leggen voor de oerknaltheorie, hij en andere vooraanstaande wetenschappers in die tijd zagen de kosmos als statisch en niet-expanderend. Maar om te voorkomen dat dat universum instort onder de aantrekkingskracht van de zwaartekracht, hij moest een afstotende kracht introduceren om het tegen te gaan:de kosmologische constante.

Pas in 1929 ontdekte Edwin Hubble dat het heelal in feite uitdijt, en dat sterrenstelsels verder van de aarde zich sneller weg bewegen dan die dichterbij zijn, dat het model van een statisch universum uiteindelijk werd verlaten. Zelfs Einstein was er snel bij om zijn theorieën aan te passen, tegen het begin van de jaren dertig van de vorige eeuw met de publicatie van twee nieuwe en verschillende modellen van het uitdijende heelal, beide zonder de kosmologische constante.

Maar hoewel astronomen eindelijk waren gaan begrijpen dat het heelal uitdijde, en min of meer het concept van de kosmologische constante had verlaten, ze gingen er ook van uit dat het universum werd gedomineerd door materie en dat de zwaartekracht er uiteindelijk voor zou zorgen dat de uitdijing ervan zou vertragen; het universum zou ofwel voor altijd blijven uitdijen, maar steeds langzamer, of het zou op een gegeven moment stoppen met uitbreiden en dan instorten, eindigend in een "grote crunch".

"Zo dachten we dat het universum werkte, tot 1998, " zei professor astronomie en astrofysica Robin Ciardullo, een van de oprichters van HETDEX.

Dat jaar, twee onafhankelijke teams - een onder leiding van Saul Perlmutter van het Lawrence Berkeley National Laboratory, en de andere onder leiding van Brian Schmidt van de Australian National University en Adam Riess van het Space Telescope Science Institute - zou bijna gelijktijdig verbazingwekkende resultaten publiceren die aantonen dat de uitdijing van het heelal in feite aan het versnellen was, aangedreven door een mysterieuze antizwaartekrachtkracht. Later dat jaar, kosmoloog Michael Turner van de Universiteit van Chicago en Fermilab bedachten de term 'donkere energie' om deze mysterieuze kracht te beschrijven.

De ontdekking zou in 1998 de "Doorbraak van het Jaar" van het tijdschrift Science worden genoemd. en in 2011 Perlmutter, Schmidt en Reiss zouden de Nobelprijs voor natuurkunde krijgen.

Concurrerende theorieën

Meer dan 20 jaar na de ontdekking van donkere energie, astronomen weten nog steeds niet wat, precies, het is.

"Telkens wanneer astronomen 'donker' zeggen, "dat betekent dat we er geen idee van hebben, ' zei Jeong met een wrange grijns. 'Donkere energie is gewoon een andere manier om te zeggen dat we niet weten wat de oorzaak is van deze versnelde expansie.'

Er zijn, echter, een aantal theorieën die donkere energie proberen te verklaren, en een paar grote kanshebbers.

Misschien is de meest favoriete verklaring de eerder verlaten kosmologische constante, die moderne natuurkundigen omschrijven als vacuümenergie. "Het vacuüm in de natuurkunde is geen toestand van niets, "Jeong legde uit. "Het is een plaats waar deeltjes en antideeltjes continu worden gecreëerd en vernietigd." De energie die in deze eeuwigdurende cyclus wordt geproduceerd, zou een naar buiten duwende kracht op de ruimte zelf kunnen uitoefenen, waardoor de uitbreiding, begonnen in de oerknal, versnellen.

Helaas, de theoretische berekeningen van vacuümenergie komen niet overeen met de waarnemingen - met een factor van wel 10 ¹²⁰ , of een één gevolgd door 120 nullen. "Dat is heel, zeer ongebruikelijk, "Jeong zei, "maar dat is waar we zullen zijn als donkere energie constant blijkt te zijn." Deze discrepantie is duidelijk een groot probleem, en het zou een herwerking van de huidige theorie kunnen vereisen, maar de kosmologische constante in de vorm van vacuümenergie is niettemin de belangrijkste kandidaat tot nu toe.

Als resultaat van zijn ontwerp, HETDEX verzamelt een enorme hoeveelheid gegevens, die veel verder reikt dan de beoogde doelen en aanvullende inzichten verschaft in zaken als donkere materie en zwarte gaten, de vorming en evolutie van sterren en sterrenstelsels, en de fysica van hoogenergetische kosmische deeltjes zoals neutrino's.

Een andere mogelijke verklaring is een nieuwe, nog onontdekt deeltje of veld dat de hele ruimte zou doordringen; maar tot nu toe, er is geen bewijs om dit te ondersteunen.

Een derde mogelijkheid is dat Einsteins zwaartekrachttheorie niet klopt. "Als je uitgaat van de verkeerde vergelijking, "Jeong zei, "dan krijg je het verkeerde antwoord." Er zijn alternatieven voor de algemene relativiteitstheorie, maar elk heeft zijn eigen problemen en niemand heeft het tot nu toe verdrongen als de heersende theorie. Voor nu, het is nog steeds de beste beschrijving van zwaartekracht die we hebben.

uiteindelijk, wat nodig is, zijn meer en betere observatiegegevens - precies waarvoor HETDEX is ontworpen om te verzamelen zoals geen ander onderzoek ooit heeft gedaan.

Een kaart van sterren en geluid

"HETDEX is zeer ambitieus, Ciardullo zei. "Het gaat een miljoen sterrenstelsels observeren om de structuur van het universum in kaart te brengen die over tweederde van de weg teruggaat tot het begin der tijden. Wij zijn de enigen die zo ver gaan om de donkere energiecomponent van het universum te zien en hoe het evolueert."

Ciardullo, een observerende astronoom die alles bestudeert, van nabije sterren tot verre sterrenstelsels en donkere materie, is de waarnemingsmanager van HETDEX. Hij merkt snel op, Hoewel, dat hij hulp heeft in die rol (van Jeong en anderen) en dat hij en alle anderen op het project meer dan één hoed dragen. "Dit is een heel groot project, " zei hij. "Het is meer dan $ 40 miljoen. Maar als je hoofden telt, het zijn niet veel mensen. En dus doen we allemaal meer dan één ding."

Jeong, een theoretisch astrofysicus en kosmoloog die ook zwaartekrachtgolven bestudeert, speelde een belangrijke rol bij het leggen van de basis voor het onderzoek en is nauw betrokken bij de gegevensanalyse van het project - en hij helpt Ciardullo ook bij het bepalen waar de Hobby-Eberly-telescoop van 10 meter moet worden gericht, de op twee na grootste ter wereld. "Het is best interessant, ’ merkte hij lachend op, "een theoreticus die waarnemers vertelt waar ze moeten kijken."

Terwijl andere studies de uitdijing van het heelal meten met behulp van verre supernova's of een fenomeen dat bekend staat als zwaartekrachtlensing, waar licht wordt afgebogen door de zwaartekracht van massieve objecten zoals sterrenstelsels en zwarte gaten, HETDEX is gericht op geluidsgolven van de oerknal, baryonische akoestische oscillaties genoemd. Hoewel we eigenlijk geen geluiden kunnen horen in het vacuüm van de ruimte, astronomen kunnen het effect zien van deze oergeluidsgolven op de verdeling van materie door het heelal.

Tijdens de eerste 400 ongeveer duizend jaar na de oerknal, het universum bestond zo dicht, heet plasma - een deeltjessoep van materie en energie. Kleine verstoringen, kwantumfluctuaties genaamd, in dat plasma veroorzaken geluidsgolven, als rimpelingen van een kiezelsteen die in een vijver wordt gegooid, waardoor de materie begon samen te klonteren en de oorspronkelijke structuur van het universum te vormen. Het resultaat van deze samenklontering is duidelijk zichtbaar in de kosmische microgolfachtergrond (ook wel de "nagloed" van de oerknal genoemd), dat is het eerste licht, en de verste terug, die we in het heelal kunnen zien. En het is ook ingeprent in de verspreiding van sterrenstelsels door de geschiedenis van het universum - zoals de rimpelingen op onze vijver, bevroren in de ruimte.

"De fysica van geluidsgolven is vrij goed bekend, zei Ciardullo. "Je ziet hoe ver deze dingen zijn gegaan, je weet hoe snel de geluidsgolven hebben gereisd, zodat je de afstand weet. Je hebt een standaard heerser over het universum, door de kosmische geschiedenis heen."

Zoals het universum is uitgebreid, zo heeft de heerser, en die variaties in de liniaal zullen laten zien hoe de uitdijingssnelheid van het universum, gedreven door donkere energie, is in de loop van de tijd veranderd.

"In principe, "Jeong zei, "we maken een driedimensionale kaart van sterrenstelsels en meten deze vervolgens."

Nieuwe ontdekkingsruimte

Om hun kaart met miljoenen sterrenstelsels te maken, het HETDEX-team had een krachtig nieuw instrument nodig.

Een set van meer dan 150 spectrografen genaamd VIRUS (Visible Integral-Field Replicable Unit Spectrographs), gemonteerd op de Hobby-Eberly-telescoop, verzamelt het licht van die sterrenstelsels in een reeks van zo'n 35, 000 optische vezels en splitst het vervolgens in zijn samenstellende golflengten in een geordend continuüm dat bekend staat als een spectrum.

De spectra van sterrenstelsels onthullen, onder andere, de snelheid waarmee ze van ons weg bewegen - een meting die bekend staat als 'roodverschuiving'. Door het Doppler-effect, de golflengte van een object dat zich van zijn waarnemer verwijdert, wordt uitgerekt (denk aan een sirene die lager wordt naarmate hij wegsnelt), en een object dat naar zijn waarnemer beweegt, heeft een gecomprimeerde golflengte, zoals diezelfde sirene die in toonhoogte toeneemt naarmate hij dichterbij komt. In het geval van terugtrekkende sterrenstelsels, hun licht wordt uitgerekt en dus verschoven naar het rode uiteinde van het spectrum.

Door deze roodverschuiving te meten, kan het HETDEX-team de afstand tot die sterrenstelsels berekenen en een nauwkeurige driedimensionale kaart van hun posities maken.

Onder de sterrenstelsels die HETDEX waarneemt, bevinden zich de zogenaamde Lyman-alfastelsels - jonge stervormende sterrenstelsels die sterke spectraallijnen uitzenden bij specifieke ultraviolette golflengten.

"We gebruiken Lyman-alpha-emitterende sterrenstelsels als een 'tracerdeeltje, '" verklaarde onderzoekshoogleraar astronomie en astrofysica Caryl Gronwall, die ook een van de oprichters is van HETDEX. "Ze zijn gemakkelijk te vinden omdat ze een zeer sterke emissielijn hebben, die gemakkelijk spectroscopisch te vinden is met het VIRUS-instrument. We hebben dus een methode die op een efficiënte manier sterrenstelsels uitzoekt met een redelijk hoge roodverschuiving, en dan kunnen we meten waar ze zijn, hun eigenschappen meten."

Gronwall, die samen met Ciardullo al bijna 20 jaar Lyman-alfa-sterrenstelsels bestudeert, leidt HETDEX's inspanningen op dit gebied, terwijl universitair hoofddocent astronomie en astrofysica Derek Fox zijn expertise leent voor het kalibreren van het VIRUS-instrument, met behulp van incidentele waarnemingen van sterren met bekende eigenschappen om de spectra te verfijnen.

"Elke opname die we maken met HETDEX, we zien enkele sterren op de vezels, " legde Fox uit. "Dat is een kans, omdat de sterren je vertellen hoe gevoelig je experiment is. Als je de helderheid van de sterren kent en je ziet de gegevens die je erover verzamelt, het biedt de mogelijkheid om uw kalibratie op punt te houden."

Een van de grootste sterke punten van HETDEX is dat het is ontworpen als een blind onderzoek - het observeren van brede delen van de lucht in plaats van specifieke, vooraf bepaalde objecten. "Niemand heeft eerder geprobeerd een enquête als deze uit te voeren, " zei Ciardullo. "Het is altijd "Vind je objecten, doe dan de spectroscopie. "Wij zijn de eersten die een heleboel spectroscopie proberen te doen en dan uitzoeken wat we hebben gezien."

Als resultaat van dit ontwerp, HETDEX verzamelt een enorme hoeveelheid gegevens, die veel verder reikt dan de beoogde doelen en aanvullende inzichten verschaft in zaken als donkere materie en zwarte gaten, de vorming en evolutie van sterren en sterrenstelsels, en de fysica van hoogenergetische kosmische deeltjes zoals neutrino's.

"Dat is heel anders en heel interessant, "Zei Jeong. "We hebben een enorme ontdekkingsruimte."

Ciardullo heeft toegevoegd, "Eén ding kun je afleiden - als je eerst een object moet zien voordat je je spectroscoop daarheen richt, nou dat is goed, maar het vereist dat het object kan worden gezien. HETDEX kan spectra waarnemen van dingen die je niet kunt zien."

Dit betekent dat naast de bekende gegevens die het verzamelt, HETDEX opent een venster voor onverwachte bevindingen, nog onvoorziene ontdekkingen. "We zullen een pionier zijn voor meer experimenten, " Ciardullo zei, en dat gevoel wordt weerspiegeld door anderen in het team, inclusief Vos.

"We gaan daar zeker paden in banen, "zei hij. "Er is een grote, groot potentieel voor echt opwindende ontdekkingen."

Terug naar de oorsprong, en verder

De futuristische wetenschap van HETDEX is, in een vreemde wending, zeer in lijn met de ideeën die de ontwikkeling van de Hobby-Eberly Telescope (HET) bijna 40 jaar geleden aandreven.

"HET werd oorspronkelijk ontworpen als de Penn State Spectroscopic Survey Telescope, " verklaarde professor emeritus van astronomie en astrofysica Larry Ramsey, die de telescoop in 1983 uitvond met de toenmalige Penn State-collega Dan Weedman, en diende later als voorzitter van de raad van bestuur van HET. "De oorspronkelijke missie was om spectroscopische onderzoeken uit te voeren, en in de bijna 20 jaar tussen toen we de telescoop voor het eerst inwijden en toen we HETDEX begonnen, de telescoop deed niet echt onderzoek. Dus in een zeer reële zin neemt HETDEX de HET terug naar zijn wortels, en het is uitgegroeid tot een heel interessant project."

"De schaal van dit onderzoek is erg futuristisch, zelfs nu, " zei Jeong. Herinnerend aan een recente kosmologieconferentie, hij vertelde een discussie over de toekomst van galactische onderzoeken. "Ik zat daar en luisterde, en het was eigenlijk wat we aan het doen waren, " zei hij. "HETDEX is een toekomstig onderzoek dat nu bestaat."

Naast wat HETDEX ontdekt over donkere energie, de gegevens die het verzamelt, zullen ook voer opleveren voor toekomstige studies die veel verder gaan dan de eigen missie. En de kans is groot, HETDEX zal doorgaan met het doen van "ruimtebrekende" wetenschap op de verre, universum met een hoge roodverschuiving voor een flink aantal jaren.

"Zelfs momenteel geplande toekomstige onderzoeken gaan niet verder dan HETDEX, " zei Jeong. "Ik denk dat we nog steeds voorop zullen lopen, zelfs over 10 jaar."