DESI створює найбільшу 3D-карту Всесвіту

прилад для спектроскопії темної енергіїDESI) завершив перші сім місяців свого дослідження, побив усі попередні рекорди тривимірних досліджень галактик, створивши найбільшу та найдокладнішу карту Всесвіту, коли-небудь створену. Однак протягом п’ятирічної місії він наближається лише до 10% шляху. Після завершення ця детальна 3D-карта дозволить краще зрозуміти темну енергію, даючи фізикам та астрономам краще розуміння минулого та майбутнього Всесвіту. Тим часом дивовижні технічні характеристики та космічні досягнення дослідження допомагають вченим розкрити таємниці найпотужніших джерел світла у Всесвіті.

DESI — це міжнародне наукове співробітництво, яким керує Національна лабораторія Лоуренса Берклі Департаменту енергетики (Лабораторія Берклі) за початкового фінансування будівництва та експлуатації від Управління науки Департаменту енергетики.

На цьому тижні вчені DESI презентують продуктивність інструменту та деякі ранні результати астрофізики на вебінарі, організованому лабораторією Берклі під назвою CosmoPalooza, на якому також будуть представлені оновлення з інших новаторських космічних експериментів.

«У ньому багато прекрасного», — сказав один із доповідачів Джуліан Гей, науковець лабораторії Берклі. “У розподілі галактик на 3D-карті є масивні скупчення, нитки і порожнечі. Це найбільші структури у Всесвіті. Але всередині них ви знайдете відбиток самого раннього Всесвіту та історію його розширення Відтоді.”

DESI пройшла довгий шлях, щоб дійти до цього моменту. Спочатку він був запропонований більше десяти років тому, а будівництво пристрою почалося в 2015 році. Його встановлено в 4-метровому телескопі Ніколаса У Мейвелла в обсерваторії Кейт Саміт поблизу Тусона, штат Арізона. Національна обсерваторія Кітт-Пік — це програма NOIRLab Національного наукового фонду (NSF), з яким Міністерство енергетики уклало контракт на експлуатацію телескопа Mayall для дослідження DESI. Інструмент побачив свій перший світ наприкінці 2019 року. Потім, під час фази перевірки, спалахнула пандемія коронавірусу, і телескоп припинив роботу на кілька місяців, хоча деяка віддалена робота тривала. У грудні 2020 року DESI знову звернулася до неба, протестувала апаратне та програмне забезпечення і до травня 2021 року була готова розпочати наукове дослідження.

Переглядайте тривимірну карту галактик із завершеного дослідження Sloan Digital Sky Survey.

Зріз тривимірної карти галактик з перших кількох місяців спектроскопії темної енергії (DESI; праворуч). Земля розташована в центрі, а найвіддаленіші галактики знаходяться на відстані більше 10 мільярдів світлових років від неї. Кожна точка представляє одну галактику. Цей 2D-зріз 3D-карти DESI показує лише близько 800 000 із 7,5 мільйонів галактик, які зараз скануються, що само по собі є лише часткою від 35 мільйонів галактик, які будуть на остаточній карті. Авторство: D. Schlegel/Berkeley Lab з використанням даних DESI

Але робота над самим DESI не була закінчена після початку опитування. «Зараз триває робота, щоб цей інструмент запрацював», — сказав фізик з Університету штату Огайо Клаус Хюншайд, вчений-машинознавець, залучений до проекту, який представить першу роботу із сесії CosmoPalooza DESI. Хоншайд та його команда гарантують, що інструмент працює плавно й автоматично, в ідеалі без будь-яких перешкод під час нічного моніторингу. «Відгуки, які я отримую від нічних спостерігачів, — це те, що зміни нудні, і я сприймаю це як комплімент», — сказав він.

Але ця монотонна пропускна здатність вимагає неймовірно детального контролю над кожним із 5000 складних роботів, які розміщують оптичні волокна на приладі DESI, забезпечуючи точність їх розташування з точністю до 10 мікрон. «Десять мікрон — це дуже мало», — сказав Хоншед. «Це менше, ніж товщина людського волосся. І ви повинні помістити кожного робота, щоб збирати світло з галактик, які знаходяться на відстані мільярдів світлових років. Кожен раз, коли я думаю про цю систему, я дивуюся, як ми можемо її досягти? Успіх DESI як інструменту — це те, чим можна пишатися».

Бачити справжні кольори темної енергії

Цей рівень здоров’я Необхідно виконати основну місію дослідження: зібрати детальні зображення спектру кольорів мільйонів галактик на більш ніж третині всього неба. Розбиваючи світло кожної галактики на їх колірний спектр, DESI може кількісно визначити червоне зміщення світла — розтягнуте до червоного кінця спектра внаслідок розширення Всесвіту за мільярди років, які він подорожував, перш ніж досягти Землі. Саме ці червоні зміщення змушують DESI бачити глибину неба.

Чим більше червоне зміщення спектра галактики загалом, тим далі вона від неї. Маючи в руках тривимірну карту Всесвіту, фізики можуть картувати скупчення та надскупчення галактик. Ці структури несуть відлуння свого початкового становлення, коли вони були лише брижами в немовлятському Всесвіті. Запускаючи ці відлуння, фізики можуть використовувати дані DESI для визначення історії розширення Всесвіту.

Новий квазар, відкритий за допомогою DESI, дає уявлення про Всесвіт, яким він був майже 13 мільярдів років тому, менше ніж через мільярд років після Великого вибуху. Це найвіддаленіший квазар DESI, виявлений на даний момент, з набору квазарів DESI з надзвичайно високим червоним зміщенням. На тлі зображено цей квазар та його околиці в опитуваннях DESI Legacy Photogrammetry Surveys. Авторство зображення: Дженні Янг, обсерваторія Стюарда/Університет Арізони

Наша наукова мета — виміряти відбитки хвиль у первісному плазма— сказав Гай. «Дивно, що ми можемо виявити вплив цих хвиль через мільярди років і так швидко в нашому опитуванні».

Розуміння історії розширення має вирішальне значення, оскільки на карту поставлено не що інше, як доля всього Всесвіту. Сьогодні близько 70% вмісту Всесвіту становить темна енергія, таємнича форма енергії, яка прискорює розширення Всесвіту. У міру розширення Всесвіту з’являється все більше темної енергії, що прискорює розширення ще більше в циклі, який рухає частину темної енергії у Всесвіті вгору. Темна енергія остаточно визначить долю Всесвіту: чи буде він розширюватися вічно? Чи впаде він знову в себе, в великий вибух назад? Або вона сама порветься? Відповідь на ці запитання означає більше дізнатися про те, як темна енергія поводилася в минулому – і саме для цього була розроблена DESI. І, порівнюючи історію розширення з історією зростання, космологи можуть перевірити, чи діє загальна теорія відносності Ейнштейна на цих величезних відрізках простору і часу.

Чорні діри і яскраві галактики

Але для розуміння долі Всесвіту необхідно почекати, поки DESI не завершить подальший огляд. Тим часом DESI вже робить прориви в нашому розумінні далекого минулого, понад 10 мільярдів років тому, коли галактики були ще молодими.

«Це справді дивовижно», – сказала Рагадепіка Пуча, аспірантка з астрономії Університету Арізони, яка працює над DESI. «DESI розповість нам більше про фізику формування та еволюції галактик».

Пуча та її колеги використовують дані DESI, щоб зрозуміти поведінку чорних дір середньої маси в малих галактиках. Вважається, що надмасивні чорні діри населяють серце майже кожної великої галактики, як-от наша Чумацький шлях. Але чи завжди маленькі галактики мають власні (менші) чорні діри в своїх ядрах. Чорні діри було б майже неможливо знайти самостійно, але якщо вони притягують достатньо матеріалу, їх буде легше виявити. При попаданні газу, пилу та інших матеріалів Чорна діра Коли воно нагрівається (до температури вище ядра зірки) на шляху вглиб країни, утворюється активне галактичне ядро ​​(AGN). У великих галактиках активні ядра галактик є одними з найяскравіших об’єктів у відомому Всесвіті. Але в менших галактиках AGN можуть бути набагато слабкішими, і їх важко відрізнити від новонароджених зірок. Спектри, отримані DESI, можуть допомогти вирішити цю проблему — і те, наскільки далеко вони поширюються по небу, дасть більше інформації про ядра молодих галактик, ніж будь-коли раніше. Ці ядра, у свою чергу, дадуть вченим підказки про те, як AGN утворилися в ранньому Всесвіті.

Квазари – різноманітна група яскравих галактик – є одними з найяскравіших і найвіддаленіших об’єктів. «Мені подобається думати про них як про ліхтарні стовпи, озираючись на історію Всесвіту», — сказала Вікторія Фосетт, аспірантка астрономії Даремського університету у Великобританії. Квазари є чудовими зондами раннього Всесвіту завдяки своїй величезній потужності. Дані DESI повертаються в минуле на 11 мільярдів років.

Фосетт та її колеги використовують дані DESI, щоб зрозуміти еволюцію самих квазарів. Вважається, що квазари починаються в оточенні пилової оболонки, яка червоніє світло, яке вони випромінюють, як сонце через туман. З віком вони виганяють цей пил і стають синішими. Але цю теорію було важко перевірити через мало даних про червоні квазари. DESI змінює це, оскільки було виявлено більше квазарів, ніж будь-яке попереднє дослідження, і очікується, що в остаточних даних дослідження буде 2,4 мільйона квазарів.

«DESI дійсно чудовий, тому що вловлює речі, які бліді й червоніші», — сказав Фосетт. Вона додає, що це дозволяє вченим перевірити ідеї про еволюцію квазарів, які раніше не можна було перевірити. І це не обмежується лише квазарами. «Ми знаходимо дуже велику кількість екзотичних систем, включаючи великі зразки рідкісних речей, які раніше ми не могли детально вивчити», – сказав Фосетт.

Попереду DESI. Дослідження вже каталогізувало понад 7,5 мільйонів галактик і додає більше з швидкістю понад мільйон галактик на місяць. Лише в листопаді 2021 року DESI каталогізував червоні зміщення 2,5 мільйонів галактик. Очікується, що до кінця роботи в 2026 році DESI матиме понад 35 мільйонів галактик у своєму каталозі, що дозволить проводити широкий спектр космологічних та астрофізичних досліджень.

«Усі ці дані просто там, і вони тільки чекають на аналіз», – сказав Буча. «І тоді ми знайдемо багато дивовижних речей про галактики. Для мене це захоплююче».

DESI підтримується Управлінням науки Департаменту енергетики та Національним центром наукових обчислень для енергетичних досліджень, користувальницьким центром Управління науки Департаменту енергетики. Додаткову підтримку DESI надають Національний науковий фонд США, Рада науково-технічних установ Великобританії, Фонд Гордона і Бетті Мур, Фонд Хейсінга-Саймонса, Французька комісія з альтернативної та атомної енергії (CEA), Національна наука та Технологічна рада Мексики, Міністерство економіки Іспанії, установи-члени DESI.

DESI Collaboration має честь дозволити йому проводити наукові дослідження на горі Іолкам Дуаг (Пік Кітт), горі, яка представляє особливий інтерес для нації Тохоно Оодхам.