Instrument Spektroskopii Ciemnej Energii (Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI) wniósł znaczący wkład w zrozumienie struktury wszechświata na przestrzeni ostatnich 11 miliardów lat, potwierdzając teorię względności ogólnej Einsteina na skalę kosmiczną.
Dzięki obszernej analizie danych dotyczących prawie sześciu milionów galaktyk i kwazarów DESI dostarczył nowych spostrzeżeń na temat wzrostu struktur kosmicznych, masy neutrin oraz rozkładu ciemnej materii i energii. W miarę jak DESI kontynuuje gromadzenie danych, rosną oczekiwania co do większej ilości informacji na temat ewoluującej natury ciemnej energii i rozszerzania się wszechświata.
Test wzrostu kosmicznego i grawitacji z DESI
Grawitacja ukształtowała kosmos, który widzimy dzisiaj. Jej przyciąganie przekształciło niewielkie różnice w ilości materii obecnej we wczesnym wszechświecie w rozległe gromady galaktyk i struktury wypełniające przestrzeń. Przełomowe badanie wykorzystujące dane z DESI zmapowało rozrost tej kosmicznej struktury na przestrzeni ostatnich 11 miliardów lat i umożliwiło najdokładniejszy test grawitacji na ogromną skalę, jaki kiedykolwiek przeprowadzono.
DESI to globalne przedsięwzięcie, w które zaangażowanych jest ponad 900 badaczy z ponad 70 instytucji, koordynowane przez Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) Departamentu Energii USA. Badanie to potwierdziło, że grawitacja zachowuje się dokładnie tak, jak przewiduje teoria względności ogólnej Einsteina –prawidłowość obecnie przyjmowanego modelu wszechświata została zatem potwierdzona. Odkrycia te ograniczają również sens odwoływania się do alternatywnych teorii zmodyfikowanej grawitacji, które naukowcy badali, aby wyjaśnić zjawiska takie jak przyspieszająca ekspansja wszechświata, powszechnie łączona z ciemną energią.
Symulacja pokazująca, jak grawitacja wpływa na położenie obserwowanych przez nas galaktyk, zmieniając sposób ich grupowania na mapie galaktyk. Ponieważ różne modele grawitacji przewidują różne grupowania galaktyk, badacze ze zespołu DESI mogą porównywać obserwacje z symulacjami, aby testować grawitację w skalach kosmicznych. Źródło: Claire Lamman i Michael Rashkovetskyi / współpraca DESI
Weryfikacja teorii Einsteina w skalach kosmicznych
Ogólna teoria względności została bardzo dobrze przetestowana w skali układów słonecznych, ale musieliśmy również sprawdzić, czy nasze założenie działa w znacznie większych skalach – powiedziała Pauline Zarrouk, kosmolog z Francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych (Centre national de la recherche scientifique, CNRS) pracująca w Laboratorium Fizyki Jądrowej i Wysokich Energii (Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies, LPNHE), która współkierowała nową analizą. Badanie tempa formowania się galaktyk pozwala nam bezpośrednio testować nasze teorie – i jak dotąd nasze ustalenia są zgodne z tym, co ogólna teoria względności przewiduje w skalach kosmologicznych.
Badanie dostarczyło również nowych górnych limitów masy neutrin – jedynych cząstek fundamentalnych, których masy nie zostały jeszcze dokładnie zmierzone. Poprzednie eksperymenty z neutrinami wykazały, że suma mas trzech typów neutrin powinna wynosić co najmniej 0,059 eV/c2. (Dla porównania, elektron ma masę około 511 000 eV/c2.) Wyniki DESI wskazują, że suma powinna być mniejsza niż 0,071 eV/c2, pozostawiając wąskie okno dla mas neutrin.
DESI obserwuje niebo teleskopem Mayall, pokazanym w czasie występowania roju meteorów Geminidy w 2023 roku. Źródło: KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R. Sparks (NSF NOIRLab)
Zaawansowana analiza z wykorzystaniem danych DESI
Naukowcy współpracujący w ramach projektu DESI udostępnili swoje wyniki w kilku preprintach opublikowanych 19 listopada w internetowym repozytorium arXiv. Złożona analiza prawie sześciu milionów galaktyk i kwazarów pozwoliła badaczom zajrzeć w przeszłość do 11 miliardów lat. Ostatnio opublikowane wyniki stanowią rozszerzoną analizę pierwszego roku danych DESI, które w kwietniu umożliwiły stworzenie największej jak dotąd trójwymiarowej mapy naszego wszechświata i sugerują, że ciemna energia może ewoluować w czasie. Wyniki z kwietnia dotyczyły szczególnej cechy sposobu, w jaki galaktyki gromadzą się, znanej jako barionowe oscylacje akustyczne (baryon acoustic oscillations, BAO). Nowa analiza, zwana „analizą pełnego kształtu”, ma szerszy zakres i wyodrębnia więcej informacji z danych, mierząc, jak galaktyki i materia są rozmieszczone w różnych skalach w przestrzeni.
Zarówno nasze wyniki BAO, jak i analiza pełnego kształtu są spektakularne – powiedział Dragan Huterer, profesor na Uniwersytecie Michigan i współkierownik grupy DESI interpretującej dane kosmologiczne. To pierwszy raz, kiedy DESI przyjrzał się wzrostowi struktury kosmicznej. Możemy badać zmodyfikowaną grawitację i ulepszać modele ciemnej energii – a to tylko czubek góry lodowej.
Animacja ukazująca przelot przez miliony galaktyk zmapowanych przy użyciu danych współrzędnych z DESI. Źródło: Fiske Planetarium, CU Boulder i współpraca DESI
DESI to najnowocześniejszy instrument, który może przechwytywać światło z pięciu tysięcy galaktyk jednocześnie. Jest zamontowany na czterometrowym teleskopie Nicholas U. Mayall w Kitt Peak National Observatory w Tucson w Arizonie, należącym do amerykańskiej National Science Foundation (program NSF NOIRLab). Eksperyment jest obecnie w czwartym z pięciu lat badania nieba – w planach jest przeanalizowanie około 40 milionów galaktyk i kwazarów do czasu zakończenia projektu. Naukowcy analizują obecnie pierwsze trzy lata zebranych danych i spodziewają się przedstawić zaktualizowane pomiary ciemnej energii i historię ekspansji naszego wszechświata wiosną 2025 roku.
Więcej informacji:
- Lista publikacji z projektu DESI: https://data.desi.lbl.gov/doc/papers/
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Wizja artystyczna struktury wszechświata. Źródło: SciTechDaily
