С помощью 5 000 крошечных роботов в телескопе, расположенном на вершине горы, исследователи могут заглянуть на 11 миллиардов лет в прошлое. Свет от далёких космических объектов только сейчас достигает спектроскопического прибора Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), позволяя нам составить карту космоса, каким он был в юности, и проследить его развитие до того, что мы видим сегодня.
Понимание того, как развивалась наша Вселенная, связано с тем, как она закончится, и с одной из самых больших загадок в физике: тёмной энергией, неизвестным ингредиентом, заставляющим нашу Вселенную расширяться всё быстрее и быстрее.
Чтобы изучить влияние тёмной энергии за последние 11 миллиардов лет, в DESI создали самую большую трёхмерную карту нашего космоса из когда-либо созданных, с самыми точными измерениями на сегодняшний день. Впервые учёные измерили историю расширения молодой Вселенной с точностью более 1 %, что даёт нам лучшее представление о том, как развивалась Вселенная.
Исследователи поделились результатами анализа собранных за первый год данных в нескольких статьях, которые будут опубликованы сегодня на сервере препринтов arXiv, а также в докладах на заседании Американского физического общества в США и на конференции Rencontres de Moriond в Италии.
«Мы невероятно гордимся этими данными, которые позволили получить ведущие в мире результаты по космологии и являются первыми результатами нового поколения экспериментов с тёмной энергией», — сказал Майкл Леви, директор DESI и учёный из Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли Министерства энергетики, которая руководит проектом.
«Пока что мы в целом наблюдаем согласованность с нашей лучшей моделью Вселенной, но мы также наблюдаем некоторые потенциально интересные различия, которые могут указывать на то, что тёмная энергия эволюционирует со временем. Они могут исчезнуть, а могут и не исчезнуть с увеличением количества данных, поэтому мы с нетерпением ждём начала анализа нашего трёхлетнего набора данных».
Эта анимация показывает, как акустические колебания барионов действуют как космическая линейка для измерения расширения Вселенной.
Наша ведущая модель Вселенной известна как Lambda CDM. Она включает в себя как слабо взаимодействующий тип материи (холодная тёмная материя, или CDM), так и тёмную энергию (Lambda). И материя, и тёмная энергия определяют, как расширяется Вселенная, но противоположными способами. Материя и тёмная материя замедляют расширение, а тёмная энергия ускоряет его. Количество каждого из этих компонентов влияет на эволюцию нашей Вселенной. Эта модель хорошо описывает результаты предыдущих экспериментов и то, как выглядит Вселенная в течение времени.
Однако, когда результаты первого года работы DESI объединяются с данными других исследований, обнаруживаются некоторые тонкие различия с тем, что предсказывает Lambda CDM. По мере того как DESI будет собирать больше информации в течение пятилетнего исследования, эти первые результаты станут более точными, проливая свет на то, указывают ли данные на другие объяснения наблюдаемых нами результатов или на необходимость обновления нашей модели.
Дополнительные данные также улучшат другие ранние результаты DESI, которые касаются постоянной Хаббла (мера того, насколько быстро расширяется Вселенная сегодня) и массы частиц, называемых нейтрино.
«Ни один спектроскопический эксперимент не собирал такого количества данных, и мы продолжаем собирать данные более чем по миллиону галактик каждый месяц», — говорит Натали Паланке-Делабруй, учёный из Лаборатории Беркли и один из авторов эксперимента.
«Поразительно, что, получив 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 по учёту инструментальных и теоретических тонкостей моделирования, что даёт нам уверенность в надёжности наших первых результатов».
Общая точность измерения истории расширения за все 11 миллиардов лет, проведённого DESI, составляет 0,5%, а для самой отдалённой эпохи, охватывающей 8-11 миллиардов лет в прошлом, точность составляет рекордные 0,82%. Такое измерение развития нашей молодой Вселенной сделать невероятно сложно.
Тем не менее, за один год DESI стал вдвое мощнее в измерении истории расширения в эти ранние времена, чем его предшественник (BOSS/eBOSS Слоановского цифрового обзора неба), на что ушло более десяти лет.
«Мы рады увидеть результаты космологических исследований, полученные в первый год работы DESI», — сказала Джина Рамейка, заместитель директора по физике высоких энергий в Министерстве энергетики. «DESI продолжает удивлять нас своей звёздной работой и уже формирует наше понимание Вселенной».
Путешествие в прошлое
DESI — это международное сотрудничество более чем 900 исследователей из более чем 70 учреждений по всему миру. Прибор установлен на 4-метровом телескопе Николаса У. Мэйолла Национального научного фонда США в Национальной обсерватории Китт-Пик в рамках программы NOIRLab Национального научного фонда США.
Глядя на карту DESI, легко увидеть основную структуру Вселенной: нити галактик, сгруппированные вместе, разделённые пустотами с меньшим количеством объектов. Наша ранняя Вселенная, находящаяся далеко за пределами видимости DESI, была совсем другой: горячий, плотный суп из субатомных частиц, движущихся слишком быстро, чтобы образовать стабильную материю, такую как атомы, которые мы знаем сегодня.
Среди этих частиц были ядра водорода и гелия, то есть барионная материя. Крошечные флуктуации в этой ранней ионизированной плазме вызывали волны давления, перемещая барионы в виде ряби, похожей на ту, что можно увидеть, бросив горсть камешков в пруд. По мере расширения и охлаждения Вселенной образовались нейтральные атомы, и волны давления прекратились, заморозив рябь в трёх измерениях и увеличив кластеризацию будущих галактик в плотных областях.
Спустя миллиарды лет мы всё ещё можем наблюдать слабый рисунок трёхмерной ряби, или пузырьков, в характерном разделении галактик — эта особенность называется барионными акустическими осцилляциями (БАО).
Исследователи используют измерения БAO в качестве космической линейки. Измеряя видимый размер этих пузырьков, они могут определить расстояние до материи, ответственной за этот чрезвычайно слабый узор на небе. Картирование пузырей БAO вблизи и на расстоянии позволяет исследователям разделить данные на фрагменты, измерить скорость расширения Вселенной в каждый момент её прошлого и смоделировать, как тёмная энергия влияет на это расширение.
«Мы измерили историю расширения в этом огромном диапазоне космического времени с точностью, превосходящей все предыдущие исследования БAO, вместе взятые», — говорит Хи-Джонг Со, профессор Университета Огайо и один из руководителей анализа БAO в DESI. «Мы очень рады узнать, как эти новые измерения улучшат и изменят наше понимание космоса. Люди извечно увлечены развитием нашей Вселенной, желая знать, из чего она состоит и что с ней будет дальше».
Использование галактик для измерения истории расширения и лучшего понимания тёмной энергии — это один из методов, но он может дать очень многое. В определённый момент свет от обычных галактик становится слишком слабым, поэтому исследователи обращаются к квазарам — чрезвычайно удалённым ярким галактическим ядрам с чёрными дырами в центре. Свет квазаров поглощается при прохождении через межгалактические облака газа, что позволяет исследователям наносить на карту скопления плотной материи и использовать их так же, как и галактики — этот метод известен как использование «леса Лайман-альфа».
«Мы используем квазары в качестве подсветки, чтобы увидеть тень промежуточного газа между квазарами и нами», — говорит Андреу Фонт-Рибера, учёный из Института физики высоких энергий (IFAE) в Испании, который является одним из руководителей анализа леса Лайман-альфа в DESI. «Это позволяет нам заглянуть дальше, в то время, когда Вселенная была ещё очень молодой. Это очень сложное измерение, и очень здорово, что оно удалось».
Исследователи использовали 450 000 квазаров — самый большой набор, когда-либо собранный для этих измерений леса Лайман-альфа, — чтобы расширить измерения БAO до 11 миллиардов лет в прошлом. К концу исследования DESI планирует составить карту 3 миллионов квазаров и 37 миллионов галактик.
Современная наука
DESI — первый спектроскопический эксперимент, в котором проводится полностью «слепой анализ», скрывающий от учёных истинный результат, чтобы избежать подсознательного предубеждения в отношении подтверждения. Исследователи работают в темноте с изменёнными данными, составляя код для анализа своих выводов. Когда всё готово, они применяют свой анализ к исходным данным, чтобы узнать реальный ответ.
«То, как мы провели анализ, даёт нам уверенность в наших результатах, и особенно в том, что лес Лайман-альфа является мощным инструментом для измерения расширения Вселенной», — говорит Жюльен Ги, учёный из Лаборатории Беркли и соруководитель по обработке информации со спектрографов DESI.
«Набор данных, который мы собираем, исключителен, как и скорость, с которой мы его собираем. Это самое точное измерение, которое я когда-либо проводил в своей жизни».
В этом 360-градусном видеоролике можно совершить интерактивный полёт по миллионам галактик, нанесённых на карту с помощью координатных данных DESI. Credit: Fiske Planetarium, CU Boulder и сотрудничество DESI
Данные DESI будут использоваться для дополнения будущих обзоров неба, таких как обсерватория Веры К. Рубин и космический телескоп Нэнси Грейс Роман, а также для подготовки к потенциальной модернизации DESI (DESI-II), которая была рекомендована в недавнем докладе Группы по определению приоритетов проектов по физике частиц США.
«Мы находимся в золотой эре космологии: масштабные исследования уже проводятся и вот-вот начнутся, а новые методы разрабатываются, чтобы наилучшим образом использовать эти наборы данных», — говорит Арно де Маттиа, исследователь из Французской комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии (CEA) и соруководитель группы DESI, занимающейся интерпретацией космологических данных.
«Мы все очень заинтересованы в том, чтобы увидеть, подтвердят ли новые данные те особенности, которые мы увидели в нашей выборке первого года, и лучше понять динамику нашей Вселенной«.
