Детектор темной энергии составляет карту Вселенной
С помощью 5000 крошечных роботов, установленных в телескоп на вершине горы, исследователи могут заглянуть в прошлое на 11 миллиардов лет. Свет от удаленных объектов в космосе только сейчас достигает прибора для спектроскопии темной энергии (DESI), что позволяет нам составить карту нашего космоса таким, каким он был в молодости, и проследить его развитие до того, что мы видим сегодня. Понимание того, как развивалась наша вселенная, связано с тем, как она заканчивается, и с одной из самых больших загадок физики: темной энергией, неизвестным компонентом, заставляющим нашу вселенную расширяться все быстрее и быстрее. Чтобы изучить влияние темной энергии за последние 11 миллиардов лет, DESI создала самую большую из когда-либо созданных трехмерных карт нашего космоса с самыми точными измерениями на сегодняшний день. Это первый случай, когда ученые измерили историю расширения молодой Вселенной с точностью более 1%, что дает нам наилучшее представление о том, как эволюционировала Вселенная.
Исследователи поделились результатами анализа собранных за первый год исследований данных в нескольких статьях, которые будут опубликованы сегодня на сервере предварительной печати arXiv, а также в выступлениях на собрании Американского физического общества в Соединенных Штатах и на Встрече Морионд в Италии. "Мы невероятно гордимся полученными данными, которые позволили получить ведущие в мире результаты в области космологии и являются первыми результатами нового поколения экспериментов по темной энергии", - сказал Майкл Леви, директор DESI и научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики, которая управляет проект. "Пока что мы наблюдаем общее согласие с нашей лучшей моделью Вселенной, но мы также видим некоторые потенциально интересные различия, которые могут указывать на то, что темная энергия эволюционирует со временем. Они могут исчезнуть, а могут и не исчезнуть с появлением новых данных, поэтому мы с нетерпением ждем начала анализа нашего трехлетнего набора данных в ближайшее время".
Наша ведущая модель Вселенной известна как Lambda CDM. Она включает в себя как слабо взаимодействующий тип материи (холодную темную материю, или CDM), так и темную энергию (лямбда). И материя, и темная энергия влияют на расширение Вселенной, но противоположными способами. Материя и темная материя замедляют расширение, в то время как темная энергия ускоряет его. Количество каждого из них влияет на эволюцию нашей Вселенной. Эта модель хорошо описывает результаты предыдущих экспериментов и то, как выглядит Вселенная на протяжении долгого времени. Однако, когда результаты DESI за первый год объединяются с данными других исследований, обнаруживаются некоторые незначительные различия с тем, что предсказывает Lambda CDM. По мере того как DESI будет собирать больше информации в ходе своего пятилетнего исследования, эти первые результаты станут более точными и прольют свет на то, указывают ли данные на различные объяснения результатов, которые мы наблюдаем, или на необходимость обновления нашей модели. Дополнительные данные также улучшат другие ранние результаты DESI, которые учитывают постоянную Хаббла (показатель того, насколько быстро расширяется Вселенная сегодня) и массу частиц, называемых нейтрино.
"Ни в одном спектроскопическом эксперименте ранее не было собрано столько данных, и мы продолжаем собирать данные более чем о миллионе галактик каждый месяц", - сказала Натали Паланк-Делабруй, научный сотрудник лаборатории Беркли и сопредседатель эксперимента. "Удивительно, что, имея данные только за первый год, мы уже можем измерить историю расширения нашей Вселенной на семи различных отрезках космического времени, каждый с точностью от 1 до 3%. Команда проделала огромную работу, чтобы учесть все тонкости инструментального и теоретического моделирования, что дает нам уверенность в надежности наших первых результатов". Общая точность DESI в отношении истории расширения за все 11 миллиардов лет составляет 0,5%, а самая отдаленная эпоха, охватывающая 8-11 миллиардов лет в прошлом, имеет рекордную точность в 0,82%. Провести такое измерение нашей молодой вселенной невероятно сложно. Тем не менее, всего за один год DESI стал вдвое эффективнее в измерении истории расширения в эти ранние периоды, чем его предшественник (BOSS/eBOSS из Sloan Digital Sky Survey), на что ушло более десяти лет.
"Мы рады видеть космологические результаты первого года работы DESI", - сказала Джина Рамейка, заместитель директора по физике высоких энергий Министерства энергетики США. "DESI продолжает удивлять нас своими звездными характеристиками и уже формирует наше представление о Вселенной". DESI - это международное сотрудничество более чем 900 исследователей из более чем 70 учреждений по всему миру. Этот прибор установлен на 4-метровом телескопе Николаса У. Мэйалла Национального научного фонда США в Национальной обсерватории Китт-Пик в рамках программы NOIRLab Национального научного фонда США. Глядя на карту ДЕЗИ, легко увидеть основную структуру Вселенной: скопления галактик, разделенные промежутками с меньшим количеством объектов. Наша очень ранняя вселенная, которую ДЕЗИ не мог себе представить, была совсем другой: горячий, плотный суп из субатомных частиц, движущихся слишком быстро, чтобы образовать стабильную материю, подобную известным нам сегодня атомам. Среди этих частиц были ядра водорода и гелия, которые в совокупности называются барионами.
Крошечные колебания в этой ранней ионизированной плазме вызывали волны давления, превращая барионы в узор ряби, похожий на то, что вы увидели бы, если бы бросили горсть гравия в пруд. По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась, формировались нейтральные атомы, и волны давления прекращались, замораживая рябь в трех измерениях и увеличивая скопление будущих галактик в плотных областях. Миллиарды лет спустя мы все еще можем наблюдать этот слабый рисунок трехмерной ряби, или пузырьков, в характерном разделении галактик — особенность, называемая барионными акустическими колебаниями (BAOs). Исследователи используют измерения BAO в качестве космической линейки. Измеряя видимый размер этих пузырьков, они могут определить расстояния до вещества, ответственного за этот чрезвычайно слабый узор на небе. Картографирование пузырьков БАО как вблизи, так и вдали позволяет исследователям разделить данные на фрагменты, измеряя, насколько быстро расширялась Вселенная в каждый момент ее существования в прошлом, и моделируя, как темная энергия влияет на это расширение.
"Мы измерили историю расширения за этот огромный промежуток космического времени с точностью, которая превосходит все предыдущие исследования BAO, вместе взятые", - сказал Хи-Джонг Со, профессор Университета Огайо и один из руководителей DESI по анализу BAO. "Мы очень рады узнать, как эти новые измерения улучшат и изменят наше понимание космоса. Люди испытывают неподвластное времени восхищение нашей вселенной, желая знать, из чего она состоит и что с ней произойдет". Использование галактик для измерения истории расширения и лучшего понимания темной энергии - это один из методов, но он может быть использован только на определенных расстояниях. В определенный момент свет от типичных галактик становится слишком слабым, поэтому исследователи обращаются к квазарам, чрезвычайно удаленным ярким ядрам галактик с черными дырами в центре. Свет от квазаров поглощается при прохождении через межгалактические облака газа, что позволяет исследователям наносить на карту скопления плотной материи и использовать их так же, как они используют галактики — метод, известный как "лес Лаймана-альфа".
"Мы используем квазары в качестве подсветки, чтобы, по сути, увидеть тень газа, разделяющую квазары и нас", - сказал Андреу Фонт-Рибера, ученый из Института физики высоких энергий (IFAE) в Испании, который является одним из руководителей проекта DESI по анализу леса Лайман-альфа. "Это позволяет нам заглянуть глубже в те времена, когда Вселенная была очень молодой. Это действительно сложное измерение, и очень приятно видеть, что оно увенчалось успехом". Исследователи использовали 450 000 квазаров, самый большой набор из когда-либо собранных для этих измерений в лесу Лайман-альфа, чтобы расширить свои измерения BAO до 11 миллиардов лет назад. К концу исследования DESI планирует нанести на карту 3 миллиона квазаров и 37 миллионов галактик. DESI - это первый спектроскопический эксперимент, в ходе которого был проведен полностью "слепой анализ", который скрывает истинный результат от ученых, чтобы избежать подсознательного предвзятого отношения к подтверждению. Исследователи работают в темноте с измененными данными, создавая код для анализа своих результатов. Как только все будет завершено, они применят свой анализ к исходным данным, чтобы получить реальный ответ.
"То, как мы провели анализ, дает нам уверенность в наших результатах и, в частности, в том, что лес Лайман-альфа является мощным инструментом для измерения расширения Вселенной", - сказал Жюльен Гай, ученый из лаборатории Беркли и соруководитель по обработке информации, полученной со спектрографов DESI. "Набор данных, который мы собираем, является исключительным, как и скорость, с которой мы его собираем. Это самое точное измерение, которое я когда-либо проводил в своей жизни". Данные DESI будут использованы в дополнение к будущим исследованиям неба, таким как обсерватория Веры К. Рубин и космический телескоп Нэнси Грейс Роман, а также для подготовки к возможному обновлению до DESI (DESI-II), которое было рекомендовано в недавнем отчете Комиссии по определению приоритетов проекта по физике элементарных частиц в США. "Мы живем в золотую эру космологии, когда проводятся и вот-вот начнутся крупномасштабные исследования, а также разрабатываются новые методы для наилучшего использования этих наборов данных", - сказал Арно де Маттиа, исследователь из Французской комиссии по альтернативной энергетике и атомной энергии (CEA) и один из руководителей из группы DESI, интерпретирующей космологические данные. "Мы все очень хотим посмотреть, подтвердят ли новые данные те особенности, которые мы наблюдали в нашей выборке за первый год, и помогут ли нам лучше понять динамику нашей вселенной".
