Som astronom, det finns ingen bättre känsla än att uppnå "första ljuset" med ett nytt instrument eller teleskop. Det är kulmen på år av förberedelser och konstruktion av ny hårdvara, som för första gången samlar upp ljuspartiklar från ett astronomiskt föremål. Detta följs vanligtvis av en lättnadens suck och sedan spänningen över all ny vetenskap som nu är möjlig.

Den 22 oktober, Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) på Mayall-teleskopet i Arizona, USA, uppnått första ljuset. Detta är ett stort steg i vår förmåga att mäta galaxavstånd – vilket möjliggör en ny era av kartläggning av strukturerna i universum. Som namnet antyder, det kan också vara nyckeln till att lösa en av fysikens största frågor:vad är den mystiska kraft som kallas "mörk energi" som utgör 70 procent av universum?

Kosmos är klumpigt. Galaxer lever tillsammans i grupper om några till tiotals galaxer. Det finns också hopar av några hundra till tusentals galaxer och superkluster som innehåller många sådana hopar.

Denna hierarki av universum har varit känd från de första kartorna över universum, som såg ut som en "stickman" i grafer av den banbrytande Center for Astrophysics (CfA) Redshift Survey. Dessa slående bilder var den första glimten av storskaliga strukturer i universum, vissa sträcker sig över hundratals miljoner ljusår.

CfA-undersökningen konstruerades mödosamt en galax i taget. Detta innebar att mäta spektrumet av galaxljuset - en uppdelning av ljuset efter våglängd, eller färg – och identifiera fingeravtrycken av vissa kemiska grundämnen (främst väte, kväve och syre).

Dessa kemiska signaturer skiftas systematiskt till längre rödare våglängder på grund av universums expansion. Detta "röda skift" upptäcktes först av astronomen Vesto Slipher och gav upphov till den nu berömda Hubbles lag - observationen att mer avlägsna galaxer verkar röra sig bort i snabbare takt. Detta betyder att galaxer som är nära verkar röra sig relativt långsamt i jämförelse - de är mindre rödförskjutna än galaxer långt borta. Därför, att mäta rödförskjutningen i en galax är ett sätt att mäta dess avstånd.

Avgörande, det exakta förhållandet mellan rödförskjutning och avstånd beror på universums expansionshistoria som kan beräknas teoretiskt med hjälp av vår gravitationsteori och våra antaganden om universums materia och energitäthet.

Alla dessa antaganden testades slutligen vid sekelskiftet med kombinationen av nya observationer av universum, inklusive nya 3D-kartor från större rödförskjutningsundersökningar. Särskilt, Sloan Digital Sky Survey (SDSS) var det första dedikerade rödförskjutningsteleskopet för att mäta över en miljon galaxrödförskjutningar, kartlägga den storskaliga strukturen i universum till oöverträffade detaljer.

SDSS-kartorna inkluderade hundratals superkluster och filament och hjälpte till att göra en oväntad upptäckt – mörk energi. De visade att materiadensiteten i universum var mycket mindre än förväntat från den kosmiska mikrovågsbakgrunden, som är ljuset som blivit över från Big Bang. Det betydde att det måste finnas ett okänt ämne, kallad mörk energi, driver en accelererad expansion av universum och blir alltmer utan materia.

Pusslet

Kombinationen av alla dessa observationer förebådade en ny era av kosmologisk förståelse med ett universum bestående av 30 procent materia och 70 procent mörk energi. Men trots att de flesta fysiker nu har accepterat att det finns något sådant som mörk energi, vi vet fortfarande inte dess exakta form.

Det finns dock flera möjligheter. Många forskare tror att vakuumets energi helt enkelt har något särskilt värde, kallad "kosmologisk konstant". Andra alternativ inkluderar möjligheten att Einsteins enormt framgångsrika teori om gravitation är ofullständig när den tillämpas på hela universums enorma skala.

Nya instrument som DESI kommer att hjälpa till att ta nästa steg för att lösa mysteriet. Den kommer att mäta tiotals miljoner galaxrödförskjutningar, spänner över en enorm volym av universum upp till tio miljarder ljusår från jorden. En sådan fantastisk, detaljerad karta bör kunna svara på några nyckelfrågor om mörk energi och skapandet av storskaliga strukturer i universum.

Till exempel, den borde kunna berätta för oss om mörk energi bara är en kosmologisk konstant. För att göra detta kommer den att mäta förhållandet mellan trycket som mörk energi lägger på universum och energin per volymenhet. Om mörk energi är en kosmologisk konstant, detta förhållande bör vara konstant i både kosmisk tid och plats. För andra förklaringar, dock, detta förhållande skulle variera. Varje indikation på att det inte är en konstant skulle vara revolutionerande och utlösa ett intensivt teoretiskt arbete.

DESI bör också kunna begränsa, och till och med döda, många teorier om modifierad gravitation, möjligen ger en eftertrycklig bekräftelse av Einsteins allmänna relativitetsteori på de största skalorna. Eller tvärtom – och det skulle återigen utlösa en revolution inom teoretisk fysik.

En annan viktig teori som kommer att testas med DESI är Inflation, som förutspår att små slumpmässiga kvantfluktuationer av energitätheten i det ursprungliga universum expanderades exponentiellt under en kort period av intensiv tillväxt för att bli frön till de storskaliga strukturer vi ser idag.

DESI är bara ett av flera nästa generations mörkenergiuppdrag och experiment som kommer under det kommande decenniet, så det finns verkligen anledning att vara optimistisk att vi snart kan lösa mysteriet med mörk energi. Nya satellituppdrag som Euclid, och massiva markbaserade observatorier som Large Synoptic Survey Telescope, kommer också att erbjuda insikter.

Det kommer också att finnas andra rödförskjutningsinstrument som DESI inklusive 4MOST vid European Southern Observatory. Tillsammans, dessa kommer att ge hundratals miljoner rödförskjutningar över hela himlen, vilket leder till en ofattbar karta över vårt kosmos.

Det verkar vara länge sedan nu när jag skrev min doktorsexamen. avhandling baserad på bara 700 galaxrödförskjutningar. Det visar verkligen att det är en spännande tid att vara astronom.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.