DESI vytváří největší 3D mapu vesmíru

přístroj pro spektroskopii temné energieDESI) završil prvních sedm měsíců svého průzkumu tím, že rozbil všechny předchozí záznamy 3D průzkumů galaxií a vytvořil tak největší a nejdetailnější mapu vesmíru, jaká kdy byla vytvořena. Během své pětileté mise se však přiblíží pouze k 10 % cesty. Jakmile bude tato velmi podrobná 3D mapa dokončena, umožní lépe porozumět temné energii a umožní fyzikům a astronomům lépe porozumět minulosti a budoucnosti vesmíru. Mezitím úžasné technické výkony a kosmické úspěchy dosavadního průzkumu pomáhají vědcům odhalit tajemství nejmocnějších zdrojů světla ve vesmíru.

DESI je mezinárodní vědecká spolupráce řízená národní laboratoří Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Laboratory) ministerstva energetiky s počátečním financováním výstavby a provozu od Úřadu vědy ministerstva energetiky.

Vědci DESI prezentují výkon přístroje a některé rané astrofyzické výsledky tento týden na webináři pořádaném Berkeley Lab nazvaným CosmoPalooza, který bude obsahovat také aktualizace z dalších převratných kosmických experimentů.

„Je v tom spousta krásy,“ řekl Julian Gay, vědec z Berkeley Lab, jeden z řečníků. „V rozložení galaxií na 3D mapě jsou masivní kupy, vlákna a dutiny. Jsou to největší struktury ve vesmíru. Ale v nich najdete otisk velmi raného vesmíru a historii jeho rozpínání.“ od té doby.“

DESI ušla dlouhou cestu, aby se dostala do tohoto bodu. Původně byl navržen před více než deseti lety a stavba zařízení začala v roce 2015. Je instalován ve 4metrovém dalekohledu Nicholase U Maywella na observatoři Kate Summit poblíž Tucsonu v Arizoně. Kitt Peak National Observatory je program Národní vědecké nadace (NSF) NOIRLab, s níž ministerstvo energetiky uzavřelo smlouvu na provozování Mayallova dalekohledu pro průzkum DESI. Přístroj spatřil své první světlo na konci roku 2019. Poté, během fáze ověřování, zasáhla pandemie koronaviru a teleskop se na několik měsíců vypnul, ačkoli některé práce na dálku pokračovaly. V prosinci 2020 DESI znovu obrátila zaměřovače k ​​obloze, otestovala svůj hardware a software a do května 2021 byla připravena zahájit svůj vědecký průzkum.

Procházejte se 3D mapou galaxií z dokončeného průzkumu oblohy Sloan Digital Sky Survey.

Výřez přes 3D mapu galaxií z prvních měsíců spektroskopie temné energie (DESI; vpravo). Země se nachází ve středu a nejvzdálenější galaxie jsou od ní vzdálené více než 10 miliard světelných let. Každý bod představuje jednu galaxii. Tento 2D výřez z 3D DESI mapy ukazuje pouze asi 800 000 ze 7,5 milionů aktuálně naskenovaných galaxií, což je samo o sobě jen zlomek z 35 milionů galaxií, které budou na konečné mapě. Kredit: D. Schlegel/Berkeley Lab s využitím dat z DESI

Po zahájení průzkumu však práce na samotném DESI neskončily. „Na zprovoznění tohoto nástroje se stále pracuje,“ řekl fyzik Klaus Hünscheid z Ohio State University, strojní vědec zapojený do projektu, který představí první příspěvek ze zasedání CosmoPalooza DESI. Honscheid a jeho tým zajišťují hladký a automatický chod nástroje, ideálně bez jakéhokoli rušení během nočního sledování. „Zpětná vazba, kterou dostávám od nočních hlídačů, je, že směny jsou nudné, a beru to jako kompliment,“ řekl.

Ale tato monotónní propustnost vyžaduje neuvěřitelně podrobné ovládání každého z 5 000 sofistikovaných robotů, které umísťují optická vlákna na přístroj DESI a zajišťují, že jejich pozice jsou přesné s přesností 10 mikronů. „Deset mikronů je velmi málo,“ řekl Honshed. „Je to menší než tloušťka lidského vlasu.“ A musíte umístit každého robota, aby shromáždil světlo z galaxií, které jsou miliardy světelných let daleko. Pokaždé, když přemýšlím o tomto systému, říkám si, jak toho můžeme dosáhnout? Úspěch DESI jako nástroje je něco, na co můžeme být hrdí.“

Vidět skutečné barvy temné energie

Tato úroveň zdraví Je nutné splnit hlavní poslání průzkumu: shromáždit detailní snímky barevného spektra milionů galaxií na více než třetině celé oblohy. Rozdělením světla z každé galaxie do jejich barevného spektra může DESI kvantifikovat červený posuv světla – natažený směrem k červenému konci spektra expanzí vesmíru za miliardy let, kterým cestoval, než dosáhl Země. Právě tyto rudé posuvy umožňují DESI vidět hloubku oblohy.

Čím větší je rudý posuv spektra galaxie obecně, tím je od ní dále. S 3D mapou vesmíru v ruce mohou fyzici mapovat kupy a nadkupy galaxií. Tyto struktury nesou ozvěny své počáteční formace, kdy byly jen vlnkami v dětském vesmíru. Spuštěním těchto ozvěn mohou fyzici použít data DESI k určení historie rozpínání vesmíru.

Nový kvasar objevený pomocí DESI poskytuje pohled na vesmír, jaký byl před téměř 13 miliardami let, méně než miliardu let po velkém třesku. Toto je zatím nejvzdálenější DESI kvasar z výběru DESI kvasarů s extrémně vysokým rudým posuvem. Pozadí ukazuje tento kvasar a jeho okolí v DESI Legacy Photogrammetry Surveys. Kredit: Jenny Yang, Steward Observatory/University of Arizona

Naším vědeckým cílem je změřit otisky prstů vln v prapůvodních plazmaŘekl chlap. „Je úžasné, že můžeme skutečně detekovat účinek těchto vln po miliardách let a tak rychle v našem průzkumu.“

Pochopení historie expanze je zásadní, protože v sázce není nic menšího než osud celého vesmíru. Dnes je asi 70 % obsahu vesmíru temná energie, záhadná forma energie, která urychluje rozpínání vesmíru. Jak se vesmír rozpíná, objevuje se více temné energie, která expanzi dále urychluje, v cyklu, který pohání část temné energie ve vesmíru vzhůru. Temná energie nakonec určí osud vesmíru: bude se rozpínat navždy? Zhroutí se znovu do sebe, do sebe velký výbuch dozadu? Nebo se roztrhne? Zodpovědět tyto otázky znamená dozvědět se více o tom, jak se temná energie chovala v minulosti – a přesně k tomu bylo DESI navrženo. A srovnáním historie expanze s historií růstu mohou kosmologové ověřit, zda Einsteinova teorie obecné relativity obstojí v těchto obrovských úsecích prostoru a času.

Černé díry a jasné galaxie

Ale pochopení osudu vesmíru musí počkat, dokud DESI nedokončí další svůj průzkum. Mezitím DESI již přináší průlomy v našem chápání vzdálené minulosti, před více než 10 miliardami let, kdy byly galaxie ještě mladé.

„Je to opravdu úžasné,“ řekla Ragadeepika Pucha, postgraduální studentka astronomie z University of Arizona pracující na DESI. „DESI nám řekne více o fyzice formování a evoluce galaxií.“

Pucha a její kolegové používají data DESI k pochopení chování středně hmotných černých děr v malých galaxiích. Předpokládá se, že supermasivní černé díry obývají srdce téměř každé velké galaxie, jako je ta naše mléčná dráha. Ale zda malé galaxie vždy mají ve svých jádrech své vlastní (menší) černé díry. Černé díry by bylo téměř nemožné najít samy o sobě – ​​ale pokud přitahují dostatek materiálu, bude snazší je odhalit. Když do něj spadne plyn, prach a jiné materiály Černá díra Jak se ohřívá (na teploty nad jádrem hvězdy) na cestě dovnitř, tvoří se aktivní galaktické jádro (AGN). Ve velkých galaxiích patří aktivní galaktická jádra mezi nejjasnější objekty ve známém vesmíru. Ale v menších galaxiích mohou být AGN slabší a těžko rozeznatelné od nově zrozených hvězd. Spektra zachycená DESI by mohla pomoci vyřešit tento problém – a jak daleko se rozprostírají po obloze, poskytne více informací o jádrech mladých galaxií než kdykoli předtím. Tato jádra zase vědcům poskytnou vodítka o tom, jak se AGN vytvořily v raném vesmíru.

Kvasary – různorodá skupina jasných galaxií – patří mezi nejjasnější a nejvzdálenější objekty. „Ráda o nich přemýšlím jako o kandelábrách, při pohledu zpět na historii vesmíru,“ řekla Victoria Fawcett, postgraduální studentka astronomie na Durhamské univerzitě ve Spojeném království. Kvasary jsou vynikající sondy raného vesmíru díky své naprosté síle. Data DESI se vrátí v čase 11 miliard let.

Fawcett a její kolegové používají data DESI k pochopení vývoje samotných kvasarů. Předpokládá se, že kvasary začínají obklopeny prachovým obalem, který zbarvuje světlo, které vyzařují, jako slunce v oparu. Jak stárnou, vypuzují tento prach a stávají se modřejšími. Ale tuto teorii bylo obtížné otestovat kvůli nedostatku dat o červených kvasarech. DESI to mění, protože bylo nalezeno více kvasarů než jakýkoli předchozí průzkum, přičemž v konečných datech průzkumu se očekává 2,4 milionu kvasarů.

„DESI je opravdu skvělé, protože zachytí věci, které jsou slabší a červenější,“ řekl Fawcett. Dodává, že to vědcům umožňuje testovat myšlenky o vývoji kvasarů, které dříve nemohly být testovány. A to se neomezuje pouze na kvasary. „Nacházíme velmi velké množství exotických systémů, včetně velkých vzorků vzácných věcí, které jsme předtím nemohli podrobně studovat,“ řekl Fawcett.

Je toho víc, co přijde DESI. Průzkum již katalogizoval více než 7,5 milionu galaxií a přidává další tempem přes milion galaxií za měsíc. Jen v listopadu 2021 DESI katalogizovala rudé posuvy 2,5 milionu galaxií. Očekává se, že do konce své činnosti v roce 2026 bude mít DESI ve svém katalogu více než 35 milionů galaxií, což umožní širokou škálu kosmologického a astrofyzického výzkumu.

„Všechna tato data tam prostě jsou a čekají jen na analýzu,“ řekl Bucha. „A pak najdeme spoustu úžasných věcí o galaxiích. Pro mě je to vzrušující.“

DESI je podporováno Úřadem vědy ministerstva energetiky a Národním centrem pro vědecké výpočty pro energetický výzkum, uživatelským zařízením Úřadu vědy ministerstva energetiky. Další podporu pro DESI poskytuje americká National Science Foundation, britská Rada pro vědecké a technologické zařízení, Gordon and Betty Moore Foundation, Heising-Simons Foundation, Francouzská komise pro alternativní a atomovou energii (CEA), National Science and Technology Council of Mexico, Ministerstvo španělského hospodářství, členské instituce DESI.

DESI Collaboration má tu čest mu umožnit provádět vědecký výzkum na hoře Iolkam Du’ag (Kitt Peak), hoře zvláštního zájmu národa Tohono O’odham.