In 29 nieuwe wetenschappelijke artikelen, de Dark Energy Survey onderzoekt de grootste kaarten ooit van de distributie en vormen van sterrenstelsels, die zich meer dan 7 miljard lichtjaar door het heelal uitstrekt. De buitengewoon nauwkeurige analyse, die gegevens bevat van de eerste drie jaar van het onderzoek, draagt ​​bij aan de krachtigste test van het huidige beste model van het universum, het standaard kosmologische model. Echter, er zijn nog hints van eerdere DES-gegevens en andere experimenten die ertoe doen in het universum van vandaag is een paar procent minder klonterig dan voorspeld.

Nieuwe resultaten van de Dark Energy Survey (DES) gebruiken de grootste steekproef ooit van sterrenstelsels die over bijna een achtste van de hemel zijn waargenomen om de meest nauwkeurige metingen tot nu toe van de samenstelling en groei van het universum te produceren.

DES maakt foto's van de nachtelijke hemel met behulp van de 570-megapixel Dark Energy Camera op de Víctor M. Blanco 4-meter-telescoop van de National Science Foundation bij Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO) in Chili, een programma van NSF's NOIRLab. Een van de krachtigste digitale camera's ter wereld, de Dark Energy Camera is speciaal ontworpen voor DES. Het werd gefinancierd door het Department of Energy (DOE) en werd gebouwd en getest bij DOE's Fermilab.

In de loop van zes jaar, van 2013 tot 2019, DES gebruikte 30% van de tijd op de Blanco-telescoop en onderzocht 5000 vierkante graden - bijna een achtste van de hele hemel - in 758 observatienachten, catalogiseren van honderden miljoenen objecten. De vandaag aangekondigde resultaten zijn gebaseerd op gegevens van de eerste drie jaar - 226 miljoen sterrenstelsels waargenomen gedurende 345 nachten - om de grootste en meest nauwkeurige kaarten tot nu toe te maken van de verdeling van sterrenstelsels in het universum in relatief recente tijdperken. De DES-gegevens zijn verwerkt in het National Center for Supercomputing Applications van de University of Illinois in Urbana-Champaign.

"NOIRLab is een trotse gastheer voor en lid van de DES-samenwerking, " zei Steve Heathcote, CTIO adjunct-directeur. "Zowel tijdens als na het onderzoek de Dark Energy Camera is een populaire keuze geweest voor lokale en Chileense astronomen."

Momenteel, de Dark Energy Camera wordt gebruikt voor programma's die een enorm scala aan wetenschap bestrijken, waaronder kosmologie. Het wetenschappelijke archief van de Dark Energy Camera, inclusief DES Data Release 2 waarop deze resultaten zijn gebaseerd, wordt samengesteld door het Community Science and Data Center (CSDC), een programma van NSF's NOIRLab. CSDC levert softwaresystemen, gebruikersdiensten, en ontwikkelingsinitiatieven om de wetenschappelijke missies van de NOIRLab-telescopen te verbinden en te ondersteunen, waaronder de Blanco-telescoop bij CTIO.

Aangezien DES zowel nabije sterrenstelsels als die miljarden lichtjaren ver weg bestudeerde, de kaarten bieden zowel een momentopname van de huidige grootschalige structuur van het universum als een beeld van hoe die structuur zich de afgelopen 7 miljard jaar heeft ontwikkeld.

Gewone materie maakt slechts ongeveer 5% van het heelal uit. Donkere energie, waarvan kosmologen veronderstellen dat het de versnellende uitdijing van het universum stimuleert door de zwaartekracht tegen te gaan, goed voor ongeveer 70%. De laatste 25% is donkere materie, waarvan de zwaartekracht de sterrenstelsels samenbindt. Zowel donkere materie als donkere energie blijven onzichtbaar. DES probeert hun aard te belichten door te bestuderen hoe de concurrentie tussen hen de grootschalige structuur van het universum in de kosmische tijd vormt.

Om de verdeling van donkere materie en het effect van donkere energie te kwantificeren, DES baseerde zich voornamelijk op twee fenomenen. Eerst, op grote schaal worden sterrenstelsels niet willekeurig door de ruimte verspreid, maar vormen ze eerder een webachtige structuur die het gevolg is van de zwaartekracht van donkere materie. DES heeft gemeten hoe dit kosmische web zich in de loop van de geschiedenis van het universum heeft ontwikkeld. De clustering van sterrenstelsels die het kosmische web vormt, onthulde op zijn beurt gebieden met een hogere dichtheid van donkere materie.

Tweede, DES detecteerde de signatuur van donkere materie door zwakke zwaartekrachtlenzen. Terwijl licht van een ver sterrenstelsel door de ruimte reist, de zwaartekracht van zowel gewone als donkere materie op de voorgrond kan zijn pad buigen, als door een lens, wat resulteert in een vervormd beeld van de melkweg gezien vanaf de aarde. Door te bestuderen hoe de schijnbare vormen van verre sterrenstelsels zijn uitgelijnd met elkaar en met de posities van nabije sterrenstelsels langs de gezichtslijn, DES-wetenschappers waren in staat om de klonterigheid van de donkere materie in het universum af te leiden.

Om het huidige model van het universum van kosmologen te testen, DES-wetenschappers vergeleken hun resultaten met metingen van het Planck-observatorium van de European Space Agency. Planck gebruikte licht dat bekend staat als de kosmische microgolfachtergrond om terug te kijken naar het vroege heelal, slechts 400, 000 jaar na de oerknal. De Planck-gegevens geven een nauwkeurig beeld van het universum 13 miljard jaar geleden, en het standaard kosmologische model voorspelt hoe de donkere materie zich tot het heden zou moeten ontwikkelen.

Gecombineerd met eerdere resultaten biedt DES de krachtigste test van het huidige beste model van het universum tot nu toe, en de resultaten zijn consistent met de voorspellingen van het standaardmodel van de kosmologie. Echter, Er zijn aanwijzingen van DES en verschillende eerdere melkwegonderzoeken dat het universum van vandaag een paar procent minder klonterig is dan voorspeld.

Tien regio's van de lucht werden gekozen als "diepe velden" die de Dark Energy Camera tijdens het onderzoek herhaaldelijk in beeld bracht. Door die beelden op elkaar te stapelen, konden de wetenschappers een glimp opvangen van verder weg gelegen sterrenstelsels. Het team gebruikte vervolgens de roodverschuivingsinformatie uit de diepe velden om de rest van het onderzoeksgebied te kalibreren. Deze en andere vorderingen in metingen en modellering, gekoppeld aan een verdrievoudiging van de gegevens in vergelijking met het eerste jaar, stelde het team in staat om de dichtheid en klonterigheid van het universum met ongekende precisie vast te stellen.

DES beëindigde zijn waarnemingen van de nachtelijke hemel in 2019. Met de ervaring die is opgedaan bij het analyseren van de eerste helft van de gegevens, het team is nu voorbereid om de volledige dataset te verwerken. De uiteindelijke DES-analyse zal naar verwachting een nog nauwkeuriger beeld schetsen van de donkere materie en donkere energie in het universum.

De DES-samenwerking bestaat uit ruim 400 wetenschappers van 25 instellingen in zeven landen.

"De samenwerking is opmerkelijk jong. Het is sterk gekanteld in de richting van postdocs en afstudeerders die een groot deel van dit werk doen, " zei DES-directeur en woordvoerder Rich Kron, die een Fermilab en University of Chicago-wetenschapper is. "Dat is echt verheugend. Een nieuwe generatie kosmologen wordt opgeleid met behulp van de Dark Energy Survey."

De door het team ontwikkelde methoden hebben de weg vrijgemaakt voor toekomstige hemelonderzoeken zoals de Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time. "DES laat zien dat het tijdperk van grote onderzoeksgegevens echt is begonnen, " merkt Chris Davis op, NSF's programmadirecteur voor NOIRLab. "DES op de Blanco-telescoop van NSF heeft de weg geëffend voor de opmerkelijke ontdekkingen die het komende decennium met Rubin Observatory zullen komen."