Wetenschap
DESI-gegevens uit het eerste jaar leveren ongekende metingen op van het uitdijende heelal
Wetenschappers hebben de eerste reeks gegevens geanalyseerd van de zoektocht van het Dark Energy Spectroscopic Instrument om het universum in kaart te brengen en de mysteries van donkere energie te ontrafelen.
Met 5.000 kleine robots in een telescoop op een bergtop kunnen onderzoekers met het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) 11 miljard jaar in het verleden kijken. Het licht van verre objecten in de ruimte bereikt nu net DESI, waardoor wetenschappers de kosmos in kaart kunnen brengen zoals deze in zijn jeugd was en tegelijkertijd de groei ervan kunnen volgen. Begrijpen hoe het universum is geëvolueerd, is verbonden met een van de grootste mysteries in de natuurkunde:donkere energie, waarvan onderzoekers veronderstellen dat deze de uitdijing van het universum aandrijft.
DESI is een internationale wetenschappelijke samenwerking waarbij meer dan 800 wetenschappers van over de hele wereld betrokken zijn. Onder hen bevinden zich onderzoekers van de kosmologiegroep van de Universiteit van Rochester, een interdisciplinaire groep die bestaat uit professoren, postdoctorale onderzoeksmedewerkers, afgestudeerde studenten en studenten uit de natuurkunde, astronomie, datawetenschap en informatica. De groep wordt mede geleid door Regina Demina, een professor in de natuurkunde; Segev BenZvi, universitair hoofddocent natuurkunde; en Kelly Douglass, assistent-professor natuurkunde en astronomie (educatief).
DESI bevindt zich momenteel midden in een vijf jaar durende zoektocht om 40 miljoen sterrenstelsels en quasars te meten en de grootste 3D-kaart van de kosmos te creëren die ooit is gemaakt, met de meest nauwkeurige metingen tot nu toe. Het instrument begon zijn onderzoek in 2021 en onderzoekers maakten onlangs hun analyse bekend van het eerste jaar aan verzamelde gegevens, waaronder metingen van de uitdijingssnelheid en de samenstelling van het universum. Ze publiceerden hun analyse in meerdere artikelen over de arXiv preprint-server.
"De DESI-gegevens zijn enorm groter dan alles wat we eerder hebben verzameld", zegt Douglass. "DESI's monster van sterrenstelsels en quasars uit het eerste jaar is al zes keer groter dan de gecombineerde metingen van alle eerdere spectroscopische onderzoeken die de afgelopen veertig jaar zijn uitgevoerd."
En de gegevens van het eerste jaar zijn nog maar het begin, voegt Demina eraan toe:"De volledige dataset zal ons in staat stellen het allereerste begin van ons universum van dichterbij te bekijken - een periode waarin het universum een snelle exponentiële expansie doormaakte."
Optische ogen op de hemel
Het DESI-instrument bevindt zich in de vernieuwde Mayall-telescoop van het Kitt Peak National Observatory van de National Science Foundation nabij Tucson, Arizona. Het instrument bevat optica die het gezichtsveld van de telescoop vergroot en omvat 5.000 robotgestuurde optische vezels om spectroscopische gegevens te verzamelen van objecten in het gezichtsveld van de telescoop en om de driedimensionale posities van sterrenstelsels en quasars in het universum te onderzoeken.
De Rochester-groep maakt sinds 2017 deel uit van DESI. Groepsleden speelden een sleutelrol bij de inbedrijfstelling en bediening van het instrument, inclusief het ontwikkelen en oplossen van problemen met software om ervoor te zorgen dat de 5.000 vezels optimaal op hun doel gericht zijn.
Leden van de Rochester-groep hebben ook aanzienlijk bijgedragen aan het valideren van de gegevens van het eerste jaar, inclusief het bestuderen van systematische onzekerheden (potentiële fouten of variaties) die de metingen zouden kunnen beïnvloeden, om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de bevindingen beter te garanderen.
De uitdijing van het universum en de donkere energie ontcijferen
DESI is gebouwd om baryon-akoestische oscillaties (BAO) te meten:enorme belachtige structuren die sterrenstelsels volgen, gevormd door omstandigheden kort na de oerknal. In het eerste jaar gebruikte DESI 5,7 miljoen sterrenstelsels en quasars uit zijn spectroscopische steekproef om de omvang van de BAO te meten en te schatten hoe snel het universum uitdijt, een grootheid die bekend staat als de constante van Hubble.
De BAO wordt ook gebruikt om de dichtheid van donkere materie en donkere energie te beperken. Wetenschappers hebben lang geloofd dat het heelal met een constante snelheid uitdijt, maar in 1999 bleek dat de uitdijing steeds sneller ging. Er wordt verondersteld dat donkere energie de versnelling aanstuurt.
Sommige theorieën suggereren dat een of meer scalaire velden (onzichtbare krachten die het universum uitdijen), vergelijkbaar met het scalaire veld waarvan wordt verondersteld dat het de inflatoire groei van het universum kort na de oerknal aanstuurt, bijdragen aan donkere energie.
‘Tot nu toe is de mensheid slechts één scalair veld bekend:het Higgsveld’, zegt Demina, die deel uitmaakte van het team dat het Higgsveld in 2012 ontdekte met behulp van de Large Hadron Collider op CERN in Zwitserland. "Dit is het moment om te controleren of er nog meer van dergelijke velden zijn."
Een andere vraag die DESI probeert te beantwoorden is of donkere energie overal in het universum een constante waarde heeft – bekend als een kosmologische constante – of dat de eigenschappen ervan verschillen in tijd en ruimte. Hoewel DESI's BAO-metingen van het eerste jaar compatibel zijn met een kosmologische constante, geven ze enigszins de voorkeur aan een model dat suggereert dat donkere energie een evoluerend of 'dynamisch' veld is.
Volgens BenZvi:“Het bewijsmateriaal ten gunste van de evoluerende donkere energie zou heel interessant kunnen zijn, maar het kan ook een toevallige fluctuatie zijn. We kunnen het pas zeker weten als we naar de volgende reeks gegevens kijken. De huidige schatting is eind 2025 voor de volgende release."