Instrument spektroskopii ciemnej energii (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 6 milionów galaktyk i kwazarów DESI dostarczyło nowych spostrzeżeń na temat wzrostu struktur kosmicznych, masy neutrin oraz rozkładu ciemnej materii i energii. W miarę jak DESI kontynuuje gromadzenie danych, oczekiwania na ujawnienie większej ilości informacji na temat ewoluującej natury ciemnej energii i ekspansji wszechświata są wysokie.
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 Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) zmapowało wzrost tej kosmicznej struktury na przestrzeni ostatnich 11 miliardów lat, oferując 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. Badanie to potwierdziło, że grawitacja zachowuje się dokładnie tak, jak przewiduje teoria względności ogólnej Einsteina, wzmacniając obecny model wszechświata. Odkrycia te nakładają również bardziej rygorystyczne ograniczenia na alternatywne teorie 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 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 (CNRS) pracująca w Laboratorium Fizyki Jądrowej i Wysokich Energii (LPNHE), która współkierowała nową analizą. „Badanie tempa formowania się galaktyk pozwala nam bezpośrednio testować nasze teorie i jak dotąd jesteśmy zgodni 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 r. 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 artykułach opublikowanych 19 listopada w internetowym repozytorium arXiv. Złożona analiza wykorzystała prawie 6 milionów galaktyk i kwazarów i pozwala badaczom zajrzeć w przeszłość do 11 miliardów lat. Mając zaledwie rok danych, DESI wykonało najdokładniejszy ogólny pomiar wzrostu struktury, przewyższając poprzednie wysiłki, których wykonanie zajęło dziesięciolecia.
Ostatnio opublikowane wyniki stanowią rozszerzoną analizę pierwszego roku danych DESI, które w kwietniu stworzyły największą jak dotąd trójwymiarową mapę naszego wszechświata i ujawniły wskazówki, że ciemna energia może ewoluować w czasie. Wyniki z kwietnia dotyczyły szczególnej cechy sposobu, w jaki galaktyki gromadzą się, znanej jako barionowe oscylacje akustyczne (BAO). Nowa analiza, zwana „analizą pełnego kształtu”, poszerza zakres, aby wyodrębnić 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 przyjrzało się wzrostowi struktury kosmicznej. Wykazujemy niezwykłą nową zdolność do badania zmodyfikowanej grawitacji i ulepszania ograniczeń modeli ciemnej energii. I 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 5000 galaktyk jednocześnie. DESI jest zamontowany na 4-metrowym teleskopie Nicholas U. Mayall w Kitt Peak National Observatory należącym do amerykańskiej National Science Foundation (program NSF NOIRLab). Eksperyment jest obecnie w czwartym z pięciu lat badania nieba i planuje zebrać 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 r.
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
