Ett av vetenskapens största mysterier började med en döende stjärna.

Det var inte någon speciell döende stjärna så mycket som idén om en. På 1980-talet Saul Perlmutter vid Department of Energys (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) och hans medarbetare insåg att de kunde använda data om supernovor för att forska i universums historia. Supernovor är extremt ljusstarka exploderande stjärnor som kastar mycket av sin massa ut i rymden innan de blinkar ut.

Lyckligtvis, Typ Ia supernovornas ljusstyrka är mycket konsekvent. Även när deras faktiska ljusstyrka varierar, det gör det på ett förutsägbart sätt. Genom att jämföra mätningar av hur ljusa dessa supernovor ser ut i teleskop med deras faktiska ljusstyrka, tillsammans med mätningar av ljus från deras hemgalaxer, forskare kan räkna ut deras ålder och avstånd från oss. Att använda dem, de kan uppskatta hur universum har expanderat över tiden.

Under loppet av ett decennium, Perlmutters team samlade in tillräckligt med data för att leta efter ett samband mellan en supernovas ljusstyrka och avståndet från jorden. De förväntade sig att se att mycket avlägsna supernovor verkar lite ljusare än de skulle göra i ett expanderande universum som inte saktade av sin tillväxt.

Uppgifterna avslöjade något helt annat.

Supernovorna såg alla mörkare ut än de borde för deras avstånd. I början, forskarna trodde att det bara var en bisarr uppsättning data. "När du ser ett fantastiskt nytt resultat, din första tanke är inte 'Eureka!, 'det är, "Det är en intressant graf, ", sa Perlmutter. Han och hans team ägnade mer än sex månader åt att kontrollera varje aspekt av grafen, letar efter någon aspekt av analysen som kan vara fel.

Det var det inte.

Faktiskt, den visade motsatsen:universum expanderade allt snabbare. Innebörden av detta var dramatisk. För att data ska fungera med Einsteins allmänna relativitetsteori – astrofysikens grund – måste 70 procent av universums energi komma från någon okänd källa.

Något – mycket av något – saknades i vår grundläggande förståelse av universum.

När Perlmutter förberedde sig för en kommande konferens, han gjorde en rad ändringar i sina genomskinliga plastglas för att presentera de nya resultaten. "Du är medveten om att det är en mycket stor, betydande resultat, men det gör dig ännu mer försiktig, " sa han. "När du säger det offentligt, du har jobbat med det så länge att det inte känns som en överraskning för dig."

Men för publiken, hans föredrag från 1998 gjorde stora vågor. Inte långt efter, ett tävlande lag presenterade samma resultat. Under 2011, Perlmutter, Brian Schmidt, och Adam Riess fick Nobelpriset i fysik för upptäckten.

Eftersom vi inte vet vad som pressar universum utåt allt snabbare, "mörk energi" är forskarnas stenografi för den mystiska processen. För att förstå historien om vårt universum, forskare med stöd av DOE Office of Science samarbetar med forskare runt om i världen för att bygga utarbetade 3D-kartor över rum och tid.

Med tanke på möjligheterna

Vad mörk energi än är, det är konstigt. Ingen av möjligheterna passar forskarnas förståelse av fysik.

Den första möjligheten är att det är den "kosmologiska konstanten". När Albert Einstein utvecklade ekvationerna som beskriver allmän relativitet, han antog att universum höll sig i samma storlek. För att motverka gravitationen som drar inåt i universum, han fastnade i en variabel, den kosmologiska konstanten, indikerar att något tryckte utåt. När Edwin Hubble upptäckte att universum expanderade, Einstein tog bort konstanten. När de fann att det finns ett mystiskt något som trycker utåt, forskare återvände till Einsteins idé. Tyvärr, siffrorna från experimentdata är 10 ¹²⁰ gånger mindre än förväntningarna på en kosmologisk konstant i ekvationerna.

Det finns ytterligare två möjligheter. Den andra är att mörk energi är en okänd form av energi som har förändrats över tiden. Den tredje möjligheten är att generell relativitetsteori inte förklarar vad som händer på de största skalorna. Istället, det skulle vara en approximation av en ännu mer allmän teori. Det skulle kasta en skiftnyckel i en av våra mest framgångsrika pelare inom astrofysik.

Mer än bara början av universum

Att ta reda på hur universums struktur har förändrats över tiden kan hjälpa forskare att avgöra om mörk energi är konstant eller inte.

Forskare vet redan hur universum såg ut i dess tidiga dagar, för cirka 10 miljarder år sedan. De har studerat den kosmiska mikrovågsbakgrunden, en uppsättning svaga värmesignaturer kvar från den tiden. Från att undersöka denna kvardröjande strålning, forskare kan räkna ut mönstren för densitet och strålning långt tillbaka då.

Det är att ta reda på vad som hände för 10 miljarder år sedan och framåt, det är det svåra. Tack och lov, forskare har något som tidsresor tillgängligt när det kommer till föremål som är extremt långt borta. Eftersom ljus tar tid att komma till jorden, extremt kraftfulla teleskop tittar inte på moderna stjärnor. Istället, forskare ser hur dessa stjärnor såg ut tusentals, miljoner, och till och med för miljarder år sedan, beroende på hur långt bort de är. Att titta bakåt på allt mer avlägsna stjärnor gör att de kan skapa kartor som kartlägger längden, bredd, och avstånd över tid.

Hur man mäter universum

För en karta av detta slag, forskare behöver specialverktyg baserade på stjärnorna och galaxerna själva.

Typ Ia supernovor är det första alternativet. Att använda den här metoden kräver att forskare tar nya supernovamätningar med mycket högre precision på ett större avstånd. "Nästan alla av det stora spektrumet av teorier passar data och skulle inte kunna särskiljas från varandra förutom med mycket, mycket hög precision mätningar, sa Perlmutter.

Även om DOE:s Office of Science stöder flera projekt som kan göra dessa högprecisionsmätningar, andra tekniker är också nödvändiga. För något som är så utanför sfären av känd fysik, forskare vill ha flera metoder för att jämföra resultat.

Nästa verktyg är att analysera Baryon Acoustic Oscillation (BAO). Som den kosmiska mikrovågsbakgrunden, BAO är en kvarleva från universums tidiga dagar. Inte långt efter Big Bang, plasman som utgjorde allt expanderade, skapar vågor av täthet och tryck. Cirka 370, 000 år senare, plasman kyldes, "fryser" tryckvågorna. De stigande vågorna lämnade klumpar av materia i början och slutet. När universum växte, dessa vågmönster sträckte ut sig.

Nu, mönstren är präglade på fördelningen av all materia. Genom att titta på hur den kosmiska mikrovågsbakgrundens mönster (som reflekterar universums början) skiljer sig från BAO:s mönster (som reflekterar mitten och nuvarande universum), forskare kan kartlägga förändringar i materiens fördelning över tid. "Den är baserad på den grundläggande fysiken från universums början, sade Parker Fagrelius, en LBNL-forskare.

Om det inte var tillräckligt uppseendeväckande, en annan teknik som kallas svag gravitationslinsning mäter hur massiva objekt förvränger formen på galaxer. Galaxer är så stora att de böjer rymden, tillsammans med ljuset från andra galaxer bakom dem. När ett teleskop på jorden tar ett foto av bakgrundsgalaxerna, deras former är sträckta jämfört med deras verkliga former. Genom att mäta denna lilla förvrängning i form av bakgrundsgalaxerna vid olika positioner, forskare kan räkna ut massan på förgrunden. Denna teknik kan också hjälpa dem att kartlägga ämnesfördelningen, inklusive både synlig och mörk materia. "Det är ett av de renaste sätten att mäta massan, sa Maria Elidaiana da Silva Pereira, en forskare vid Brandeis University som arbetar med Dark Energy Survey.

Det sista alternativet är att mäta egenskaperna hos galaxhopar, eller grupper av galaxer. De största klustren avslöjar var det tidiga universum var tätast. "De kan berätta mycket om tillväxten och bildandet av strukturer i universum, sa Antonella Palmese, en forskare vid DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory.

Inte din genomsnittliga digitalkamera

Forskare har också sina val av alternativ när det gäller att ta data.

Bildundersökningar är teleskop med gigantiska digitalkameror. De tar stora, svepande fotografier av himlen som inkluderar ett enormt antal galaxer och supernovor. Forskare analyserar objektens ljusstyrka och färg, som ger dem information om deras avstånd och massa.

Dark Energy Survey, som stöds av en internationell grupp som inkluderar DOE:s Office of Science, tillhandahåller den mest omfattande uppsättningen av bilddata som finns tillgänglig. Dessa bilder kommer från en 520-megapixelkamera; i jämförelse, pek-och-skjut-kameror är 16 till 20 megapixlar. Monterad på ett teleskop i Chile, Dark Energy Camera tog bilder av ungefär en fjärdedel av den södra himlen i fem år. När den slutade ta data i januari 2019, den hade foton av mer än 300 miljoner galaxer, tiotusentals galaxhopar, och flera tusen supernovor av typ Ia. "Det fanns inget så kraftfullt som Dark Energy Survey när det gäller antalet galaxer och galaxhopar, sa Palmese.

Att titta på så många galaxer gav forskare en aldrig tidigare skådad titt på svag gravitationslins. Teamet gjorde den mest exakta mätningen av hur materia är fördelad i universum hittills. Med dessa observationer, de körde en modell av ett universum bestående av mörk energi och mörk materia som om mörk energi var konstant över tiden (vilket det skulle vara om det är den kosmologiska konstanten) och om det inte var det (någon annan kraft). Om resultaten från modellerna som använder Dark Energy Survey-data och resultaten från den kosmiska mikrovågsbakgrunden matchade, det skulle ha bekräftat att den kosmologiska konstantmodellen fungerar bra. Med andra ord, det skulle visa att mörk energi är en kosmologisk konstant.

Resultaten var nära – men inte riktigt desamma. Medan data lutade mot konstanten, det var inte tillräckligt starkt för att säga om det finns en verklig skillnad mellan mängden materia som mäts av Dark Energy Survey och de kosmiska mikrovågsbakgrundsresultaten. Det kan tyda på några problem med själva modellen.

Nästa stora grej

Till skillnad från de digitala kamerorna för bildundersökningar, spektroskopiska undersökningar har buntar av fiberoptiska kablar, som var och en samlar ljus från en annan galax. Dessa buntar ger typer av information om ljusets synliga och icke-synliga våglängder som skiljer sig från vad forskare kan få från fotografier. Denna information ger exakta detaljer om ett objekts avstånd och hastighet. Dock, en spektroskopisk undersökning kan bara ta data om en bråkdel av de objekt som en bildundersökning kan.

Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) är nästa steg framåt. Ett spektroskopiskt instrument installerat på Mayall-teleskopet i Arizona, DESI kommer att börja samla in data om den norra himlen i början av nästa år. Det som gör DESI unikt jämfört med tidigare undersökningar är den stora mängd data den kan ta. Den kommer att kunna samla in data om ljusspektrumet från ultraviolett ända till infrarött på 5, 000 galaxer samtidigt.

"Det öppnar verkligen upp den kosmologiska tidslinjen, sa Fagrelius, som har arbetat med projektet under stora delar av sin karriär. — Det är riktigt spännande. DESI bör ge resultat för BAO som är tre gånger mer exakta än alla tidigare beräkningar tillsammans samt djupgående data om linser och galaxhopar. Att kombinera dessa resultat kan ge oss den bästa insikten hittills om hur mörk energi har betett sig över tid.

Med dessa verktyg såväl som Large Synoptic Survey Telescope – som förväntas lanseras i Chile 2023 – räknar forskare med att spika en exakt beskrivning av mörk energi.

Men det är troligt att utredningen kommer att väcka fler frågor än den besvarar. Trots allt, den här undersökningen startade för att Perlmutter och hans team försökte ta reda på hur mycket universums expansion saktade ner. De förväntade sig aldrig att hitta motsatsen.

"Vad jag är upphetsad över är vad vi inte förväntar oss att se, " sa Fagrelius. "Med denna mängd data, vi kommer att upptäcka saker som vi inte visste att vi letade efter."