Wetenschap
Onderzoekers gebruiken het Dark Energy Spectroscopic Instrument om de grootste 3D-kaart van ons universum te maken
Met 5.000 kleine robots in een telescoop op een bergtop kunnen onderzoekers 11 miljard jaar in het verleden kijken. Het licht van verre objecten in de ruimte bereikt nu pas het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), waardoor we onze kosmos in kaart kunnen brengen zoals deze was in zijn jeugd en de groei ervan kunnen traceren tot wat we vandaag de dag zien.
Begrijpen hoe ons universum is geëvolueerd, is verbonden met hoe het eindigt, en met een van de grootste mysteries in de natuurkunde:donkere energie, het onbekende ingrediënt dat ervoor zorgt dat ons universum steeds sneller uitdijt.
Om de effecten van donkere energie in de afgelopen 11 miljard jaar te bestuderen, heeft DESI de grootste 3D-kaart van onze kosmos ooit gemaakt, met de meest nauwkeurige metingen tot nu toe. Dit is de eerste keer dat wetenschappers de uitdijingsgeschiedenis van het jonge heelal met een nauwkeurigheid van beter dan 1% hebben gemeten, wat ons het beste beeld tot nu toe geeft van hoe het heelal is geëvolueerd.
Onderzoekers deelden de analyse van hun eerste jaar aan verzamelde gegevens in meerdere artikelen die vandaag op de arXiv zullen worden geplaatst. pre-printserver en in gesprekken op de bijeenkomst van de American Physical Society in de Verenigde Staten en de Rencontres de Moriond in Italië.
"We zijn ongelooflijk trots op de gegevens, die toonaangevende kosmologische resultaten hebben opgeleverd en de eerste zijn die voortkomen uit de nieuwe generatie experimenten met donkere energie", zegt Michael Levi, DESI-directeur en wetenschapper bij Lawrence van het Department of Energy. Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), dat het project beheert.
"Tot nu toe zien we fundamentele overeenstemming met ons beste model van het universum, maar we zien ook enkele potentieel interessante verschillen die erop zouden kunnen wijzen dat donkere energie in de loop van de tijd evolueert. Die kunnen wel of niet verdwijnen met meer gegevens, dus we zijn blij dat we binnenkort kunnen beginnen met het analyseren van onze driejarige dataset."
Ons leidende model van het universum staat bekend als Lambda CDM. Het omvat zowel een zwak interacterende soort materie (koude donkere materie of CDM) als donkere energie (Lambda). Zowel materie als donkere energie bepalen hoe het universum uitdijt, maar op tegengestelde manieren. Materie en donkere materie vertragen de uitdijing, terwijl donkere energie deze versnelt. De hoeveelheid van elk beïnvloedt hoe ons universum evolueert. Dit model beschrijft goed de resultaten van eerdere experimenten en beschrijft hoe het universum er door de tijd heen uitziet.
Wanneer DESI's eerstejaarsresultaten echter worden gecombineerd met gegevens uit andere onderzoeken, zijn er enkele subtiele verschillen met wat Lambda CDM zou voorspellen. Naarmate DESI tijdens haar vijf jaar durende onderzoek meer informatie verzamelt, zullen deze eerste resultaten nauwkeuriger worden en licht werpen op de vraag of de gegevens wijzen op verschillende verklaringen voor de resultaten die we waarnemen of op de noodzaak om ons model bij te werken.
Meer gegevens zullen ook de andere vroege resultaten van DESI verbeteren, die wegen op de Hubble-constante (een maatstaf voor hoe snel het universum vandaag de dag uitdijt) en de massa van deeltjes die neutrino's worden genoemd.
"Geen enkel spectroscopisch experiment heeft eerder zoveel gegevens verzameld, en we blijven elke maand gegevens verzamelen van meer dan een miljoen sterrenstelsels", zegt Nathalie Palanque-Delabrouille, een wetenschapper van Berkeley Lab en mede-woordvoerder van het experiment.
‘Het is verbazingwekkend dat we met alleen ons eerste jaar aan gegevens al de geschiedenis van de uitdijing van ons universum kunnen meten in zeven verschillende delen van de kosmische tijd, elk met een nauwkeurigheid van 1 tot 3%. Het team heeft enorm veel werk verzet om houden rekening met de ingewikkelde instrumentele en theoretische modelleringsproblemen, wat ons vertrouwen geeft in de robuustheid van onze eerste resultaten."
DESI's algehele nauwkeurigheid van de expansiegeschiedenis over alle 11 miljard jaar is 0,5%, en het meest afgelegen tijdperk, dat 8 tot 11 miljard jaar in het verleden beslaat, heeft een recordprecisie van 0,82%. Die meting van ons jonge universum is ongelooflijk moeilijk te maken.
Toch is DESI binnen een jaar twee keer zo krachtig geworden in het meten van de expansiegeschiedenis in deze vroege tijden als zijn voorganger (BOSS/eBOSS van de Sloan Digital Sky Survey), die meer dan tien jaar in beslag nam.
"We zijn verheugd om de kosmologische resultaten te zien van DESI's eerste operationele jaar", zegt Gina Rameika, associate director voor High Energy Physics bij DOE. "DESI blijft ons verbazen met zijn geweldige prestaties en geeft nu al vorm aan ons begrip van het universum."
Reis terug in de tijd
DESI is een internationale samenwerking van meer dan 900 onderzoekers uit meer dan 70 instellingen over de hele wereld. Het instrument bevindt zich bovenop de Nicholas U. Mayall 4-meter telescoop van de Amerikaanse National Science Foundation bij Kitt Peak National Observatory, een programma van NSF's NOIRLab.
Als je naar de kaart van DESI kijkt, kun je gemakkelijk de onderliggende structuur van het universum zien:bundels van sterrenstelsels die bij elkaar zijn geclusterd, gescheiden door holtes met minder objecten. Ons zeer vroege universum, ver buiten de visie van DESI, was heel anders:een hete, dichte soep van subatomaire deeltjes die te snel bewegen om stabiele materie te vormen zoals de atomen die we vandaag de dag kennen. Onder deze deeltjes bevonden zich waterstof- en heliumkernen, gezamenlijk baryonen genoemd.
Kleine fluctuaties in dit vroege geïoniseerde plasma veroorzaakten drukgolven, waardoor de baryonen in een patroon van rimpelingen terechtkwamen dat vergelijkbaar is met wat je zou zien als je een handvol grind in een vijver zou gooien. Terwijl het heelal uitdijde en afkoelde, vormden zich neutrale atomen en stopten de drukgolven, waardoor de rimpelingen in drie dimensies bevriezen en de clustering van toekomstige sterrenstelsels in de dichte gebieden toeneemt.
Miljarden jaren later kunnen we dit zwakke patroon van 3D-rimpelingen of bellen nog steeds zien in de karakteristieke scheiding van sterrenstelsels – een kenmerk dat Baryon Acoustic Oscillations (BAO's) wordt genoemd.
Onderzoekers gebruiken de BAO-metingen als kosmische heerser. Door de schijnbare grootte van deze bellen te meten, kunnen ze de afstanden bepalen tot de materie die verantwoordelijk is voor dit extreem zwakke patroon aan de hemel. Door de BAO-bubbels zowel dichtbij als veraf in kaart te brengen, kunnen onderzoekers de gegevens in stukjes opdelen, waarbij ze meten hoe snel het universum op elk moment in het verleden uitdijde en modelleren hoe donkere energie die uitdijing beïnvloedt.
"We hebben de geschiedenis van de expansie over dit enorme bereik van kosmische tijd gemeten met een precisie die alle voorgaande BAO-onderzoeken samen overtreft", zegt Hee-Jong Seo, professor aan de Universiteit van Ohio en medeleider van DESI's BAO-analyse. "We zijn erg enthousiast om te leren hoe deze nieuwe metingen ons begrip van de kosmos zullen verbeteren en veranderen. Mensen hebben een tijdloze fascinatie voor ons universum en willen weten waar het van gemaakt is en wat ermee zal gebeuren." P>
Het gebruik van sterrenstelsels om de uitdijingsgeschiedenis te meten en donkere energie beter te begrijpen is één techniek, maar deze kan slechts zo ver reiken. Op een gegeven moment is het licht van typische sterrenstelsels te zwak, dus wenden onderzoekers zich tot quasars, extreem verre, heldere kernen van sterrenstelsels met zwarte gaten in hun middelpunt. Licht van quasars wordt geabsorbeerd wanneer het door intergalactische gaswolken gaat, waardoor onderzoekers de plekken met dichte materie in kaart kunnen brengen en deze op dezelfde manier kunnen gebruiken als sterrenstelsels – een techniek die bekend staat als het gebruik van het ‘Lyman-alpha bos’.
"We gebruiken quasars als achtergrondverlichting om in feite de schaduw te zien van het tussenliggende gas tussen de quasars en ons", zegt Andreu Font-Ribera, een wetenschapper aan het Instituut voor Hoge Energie Fysica (IFAE) in Spanje, die mede leiding geeft aan DESI's Lyman-project. alfabosanalyse. "Het laat ons verder kijken naar de tijd dat het heelal nog heel jong was. Het is een heel moeilijke meting om te doen, en heel gaaf om te zien dat het lukt."
Onderzoekers gebruikten 450.000 quasars, de grootste set ooit verzameld voor deze Lyman-alpha-bosmetingen, om hun BAO-metingen uit te breiden tot 11 miljard jaar in het verleden. Tegen het einde van het onderzoek is DESI van plan 3 miljoen quasars en 37 miljoen sterrenstelsels in kaart te brengen.
State-of-the-art wetenschap
DESI is het eerste spectroscopische experiment dat een volledig ‘geblindeerde analyse’ uitvoert, die het ware resultaat voor de wetenschappers verbergt om elke onbewuste voorkeur voor bevestiging te voorkomen. Onderzoekers werken in het donker met gewijzigde gegevens en schrijven de code om hun bevindingen te analyseren. Zodra alles is afgerond, passen ze hun analyse toe op de originele gegevens om het daadwerkelijke antwoord te onthullen.
"De manier waarop we de analyse hebben uitgevoerd, geeft ons vertrouwen in onze resultaten, en vooral in het aantonen dat het Lyman-alpha-woud een krachtig hulpmiddel is voor het meten van de uitdijing van het universum", zegt Julien Guy, een wetenschapper bij Berkeley Lab en co-leider van het verwerken van informatie uit de spectrografen van DESI.
"De dataset die we verzamelen is uitzonderlijk, net als de snelheid waarmee we deze verzamelen. Dit is de meest nauwkeurige meting die ik ooit in mijn leven heb gedaan."
De gegevens van DESI zullen worden gebruikt als aanvulling op toekomstige hemelonderzoeken zoals het Vera C. Rubin Observatorium en de Nancy Grace Roman Space Telescope, en ter voorbereiding op een mogelijke upgrade naar DESI (DESI-II), die werd aanbevolen in een recent rapport van het Amerikaanse Particle Prioriteringspanel natuurkundeprojecten.
"We bevinden ons in het gouden tijdperk van de kosmologie, met grootschalige onderzoeken die gaande zijn en binnenkort zullen worden gestart, en nieuwe technieken worden ontwikkeld om deze datasets zo goed mogelijk te gebruiken", zegt Arnaud de Mattia, een onderzoeker bij het Franse Alternative Energies en Atomic Energy Commission (CEA) en medeleider van DESI's groep die de kosmologische gegevens interpreteert.
"We zijn allemaal erg gemotiveerd om te zien of nieuwe gegevens de kenmerken zullen bevestigen die we in onze eerstejaarssteekproef hebben gezien en een beter begrip van de dynamiek van ons universum zullen opbouwen."