Universum vi ser är bara själva toppen av det enorma kosmiska isberget.

De hundratals miljarder galaxer den innehåller, var och en av dem hem till miljarder stjärnor, planeter och månar såväl som massiva stjärn- och planetbildande moln av gas och damm, och allt synligt ljus och annan energi vi kan upptäcka i form av elektromagnetisk strålning, som radiovågor, gammastrålar och röntgenstrålar – kort sagt, allt vi någonsin sett med våra teleskop — uppgår bara till cirka 5 % av all massa och energi i universum.

Tillsammans med denna så kallade normala materia finns också mörk materia, som inte kan ses, men kan observeras genom dess gravitationseffekt på normala, synlig materia, och utgör ytterligare 27% av universum. Lägg dem tillsammans, och de uppgår bara till 32 % av universums massa – så var är de andra 68 %?

Mörk energi.

Så vad är mörk energi egentligen? Enkelt uttryckt, det är en mystisk kraft som driver universum utåt och får det att expandera snabbare när det åldras, engagerad i en kosmisk dragkamp med mörk materia, som försöker dra ihop universum. Bortom det, vi förstår ännu inte vad mörk energi är, men Penn State astronomer är kärnan i en grupp som siktar på att ta reda på det genom ett unikt och ambitiöst projekt 16 år på väg:HETDEX, Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment.

"HETDEX har potential att förändra spelet, " sa docent i astronomi och astrofysik Donghui Jeong.

Mörk energi och det expanderande universum

Idag råder enighet bland astronomer om att universum vi bebor expanderar, och att dess expansion accelererar, men idén om ett expanderande universum är mindre än ett sekel gammal, och föreställningen om mörk energi (eller något annat) som accelererar den expansionen har bara funnits i lite mer än 20 år.

1917 när Albert Einstein tillämpade sin allmänna relativitetsteori för att beskriva universum som helhet, lägga grunden för big bang-teorin, han och andra ledande vetenskapsmän vid den tiden uppfattade kosmos som statiskt och icke-expanderande. Men för att hindra det universum från att kollapsa under gravitationens attraktionskraft, han behövde införa en frånstötande kraft för att motverka den:den kosmologiska konstanten.

Det var inte förrän 1929 när Edwin Hubble upptäckte att universum i själva verket expanderar, och att galaxer längre bort från jorden rör sig bort snabbare än de som är närmare, att modellen av ett statiskt universum slutligen övergavs. Till och med Einstein var snabb med att ändra sina teorier, i början av 1930-talet publicerade två nya och distinkta modeller av det expanderande universum, båda utan den kosmologiska konstanten.

Men även om astronomer äntligen hade förstått att universum expanderade, och hade mer eller mindre övergett konceptet om den kosmologiska konstanten, de antog också att universum dominerades av materia och att gravitationen så småningom skulle få dess expansion att sakta ner; universum skulle antingen fortsätta att expandera för alltid, men allt långsammare, eller så skulle den någon gång upphöra med sin expansion och sedan kollapsa, slutar i en "stor crunch".

"Det var så vi trodde att universum fungerade, fram till 1998, " sa professor i astronomi och astrofysik Robin Ciardullo, en grundare av HETDEX.

Det året, två oberoende team – ett ledd av Saul Perlmutter vid Lawrence Berkeley National Laboratory, och den andra ledd av Brian Schmidt från Australian National University och Adam Riess från Space Telescope Science Institute – skulle nästan samtidigt publicera häpnadsväckande resultat som visar att universums expansion i själva verket accelererade, driven av någon mystisk antigravitationskraft. Senare Det året, kosmologen Michael Turner från University of Chicago och Fermilab myntade termen "mörk energi" för att beskriva denna mystiska kraft.

Upptäckten skulle utnämnas till tidskriften Sciences "Årets genombrott" för 1998, och 2011 Perlmutter, Schmidt och Reiss skulle tilldelas Nobelpriset i fysik.

Tävlande teorier

Mer än 20 år efter upptäckten av mörk energi, astronomer vet fortfarande inte vad, exakt, det är.

"När astronomer säger 'mörkt, "det betyder att vi inte har någon aning om det, " sa Jeong med ett snett leende. "Mörk energi är bara ett annat sätt att säga att vi inte vet vad som orsakar denna accelererande expansion."

Det finns, dock, ett antal teorier som försöker förklara mörk energi, och några stora utmanare.

Den kanske mest gynnade förklaringen är den tidigare övergivna kosmologiska konstanten, som dagens fysiker beskriver som vakuumenergi. "Vakuumet i fysiken är inte ett tillstånd av ingenting, " Jeong förklarade. "Det är en plats där partiklar och antipartiklar kontinuerligt skapas och förstörs." Energin som produceras i denna eviga cykel kan utöva en utåtgående kraft på själva rymden, orsakar dess expansion, initierad i big bang, att accelerera.

Tyvärr, de teoretiska beräkningarna av vakuumenergi stämmer inte överens med observationerna – med en faktor på så mycket som 10 ¹²⁰ , eller en etta följt av 120 nollor. "Det är väldigt, mycket ovanligt, "Jeong sa, "men det är där vi kommer att vara om mörk energi visar sig vara konstant." Uppenbarligen är denna skillnad ett stort problem, och det skulle kunna kräva en omarbetning av nuvarande teori, men den kosmologiska konstanten i form av vakuumenergi är inte desto mindre den ledande kandidaten hittills.

Som ett resultat av dess design, HETDEX samlar in en enorm mängd data, sträcker sig långt bortom de avsedda målen och ger ytterligare insikter om saker som mörk materia och svarta hål, bildandet och utvecklingen av stjärnor och galaxer, och fysiken hos kosmiska partiklar med hög energi som neutriner.

En annan möjlig förklaring är en ny, ännu oupptäckt partikel eller fält som skulle genomsyra hela rymden; men hittills, det finns inga bevis som stöder detta.

En tredje möjlighet är att Einsteins gravitationsteori är felaktig. "Om du utgår från fel ekvation, "Jeong sa, "då får du fel svar." Det finns alternativ till allmän relativitetsteori, men var och en har sina egna problem och ingen har ännu förskjutit den som den härskande teorin. Tills vidare, det är fortfarande den bästa beskrivningen av gravitationen vi har.

I sista hand, vad som behövs är mer och bättre observationsdata – precis vad HETDEX designades för att samla in som ingen annan undersökning har gjort tidigare.

En karta över stjärnor och ljud

"HETDEX är mycket ambitiös, ", sa Ciardullo. "Den kommer att observera en miljon galaxer för att kartlägga universums struktur som går över två tredjedelar av vägen tillbaka till tidernas begynnelse. Vi är de enda som går ut så långt för att se den mörka energikomponenten i universum och hur den utvecklas."

Ciardullo, en observationsastronom som studerar allt från närliggande stjärnor till avlägsna galaxer och mörk materia, är HETDEX observationschef. Han är snabb att notera, fastän, att han har fått hjälp i den rollen (av Jeong och andra) och att han och alla andra i projektet bär mer än en hatt. "Det här är ett väldigt stort projekt, " sa han. "Det är över 40 miljoner dollar. Men om du räknar huvuden, det är inte särskilt många människor. Och så gör vi alla mer än en sak."

Jeong, en teoretisk astrofysiker och kosmolog som också studerar gravitationsvågor, var avgörande för att lägga grunden för studien och är starkt involverad i projektets dataanalys – och han hjälper också Ciardullo att bestämma vart det 10-meters Hobby-Eberly-teleskopet ska riktas, världens tredje största. "Det är lite intressant, " noterade han med ett skratt, "en teoretiker som talar om för observatörer var de ska leta."

Medan andra studier mäter universums expansion med hjälp av avlägsna supernovor eller ett fenomen som kallas gravitationslinser, där ljuset böjs av gravitationen av massiva föremål som galaxer och svarta hål, HETDEX fokuserar på ljudvågor från big bang, kallas baryoniska akustiska svängningar. Även om vi faktiskt inte kan höra ljud i rymdens vakuum, astronomer kan se effekten av dessa ursprungliga ljudvågor i distributionen av materia i hela universum.

Under de första 400, 000 eller så år efter big bang, universum existerade som tätt, het plasma — en partikelsoppa av materia och energi. Små störningar som kallas kvantfluktuationer i att plasma sätter igång ljudvågor, som krusningar från en sten som kastas i en damm, som hjälpte materia att börja klumpa ihop sig och bilda universums ursprungliga struktur. Resultatet av denna klumpning är uppenbart i den kosmiska mikrovågsbakgrunden (även kallad "efterglöden" av big bang), som är det första ljuset, och längst bak, som vi kan se i universum. Och det är också inpräntat i distributionen av galaxer genom universums historia - som krusningarna på vår damm, frusna i rymden.

"Ljudvågornas fysik är ganska välkänd, " sa Ciardullo. "Du ser hur långt de här sakerna har gått, du vet hur snabbt ljudvågorna har färdats, så du vet avståndet. Du har en vanlig linjal i universum, genom hela den kosmiska historien."

Allt eftersom universum har expanderat har härskaren, och dessa varianser i linjalen kommer att visa hur universums expansionshastighet, driven av mörk energi, har förändrats över tiden.

"I grund och botten, "Jeong sa, "vi gör en tredimensionell karta över galaxer och mäter den sedan."

Nytt upptäcktsutrymme

För att göra deras miljongalaxkarta, HETDEX-teamet behövde ett kraftfullt nytt instrument.

En uppsättning med mer än 150 spektrografer som kallas VIRUS (Visible Integral-Field Replicable Unit Spectrographs), monterad på Hobby-Eberly-teleskopet, samlar ljuset från dessa galaxer till en uppsättning av cirka 35, 000 optiska fibrer och sedan delar upp den i dess komponentvåglängder i ett ordnat kontinuum känt som ett spektrum.

Galaxernas spektra avslöjar, bland annat, hastigheten med vilken de rör sig bort från oss – ett mått som kallas "rödförskjutning". På grund av dopplereffekten, våglängden för ett föremål som rör sig bort från sin observatör sträcks ut (tänk på en siren som blir lägre i ton när den rusar iväg), och ett föremål som rör sig mot sin observatör har sin våglängd komprimerad, som att samma siren ökar i ton när den kommer närmare. När det gäller vikande galaxer, deras ljus sträcks ut och förskjuts sålunda mot den röda änden av spektrumet.

Genom att mäta denna rödförskjutning kan HETDEX-teamet beräkna avståndet till dessa galaxer och producera en exakt tredimensionell karta över deras positioner.

Bland de galaxer HETDEX observerar finns så kallade Lyman-alfa-galaxer - unga stjärnbildande galaxer som sänder ut starka spektrallinjer vid specifika ultravioletta våglängder.

"Vi använder Lyman-alfa-emitterande galaxer som en spårpartikel, '" förklarade forskningsprofessorn i astronomi och astrofysik Caryl Gronwall, som också är en av grundarna av HETDEX. "De är lätta att hitta eftersom de har en mycket stark utsläppslinje, som är lätt att hitta spektroskopiskt med VIRUS-instrumentet. Så vi har den här metoden som effektivt plockar ut galaxer med en ganska hög rödförskjutning, och sedan kan vi mäta var de är, mäta deras egenskaper."

Gronwall, som tillsammans med Ciardullo har studerat Lyman-alfa-galaxer i nästan 20 år, leder HETDEX insatser på detta område, medan docent i astronomi och astrofysik Derek Fox lånar ut sin expertis till att kalibrera VIRUS-instrumentet, använda tillfälliga observationer av stjärnor med välkända egenskaper för att finjustera dess spektra.

"Varje skott vi tar med HETDEX, vi observerar några stjärnor på fibrerna, " förklarade Fox. "Det är en möjlighet, eftersom stjärnorna talar om för dig hur känsligt ditt experiment är. Om du känner till stjärnornas ljusstyrka och du ser data som du samlar in om dem, det erbjuder en möjlighet att hålla din kalibrering på punkt."

En av HETDEX största styrkor är att den designades som en blind undersökning – som observerar breda himmelsträckor istället för specifika, förutbestämda objekt. "Ingen har försökt göra en undersökning som denna tidigare, " sa Ciardullo. "Det är alltid "Hitta dina föremål, gör sedan spektroskopin." Vi är de första som försöker göra en hel massa spektroskopi och sedan ta reda på vad vi såg."

Som ett resultat av denna design, HETDEX samlar in en enorm mängd data, sträcker sig långt bortom de avsedda målen och ger ytterligare insikter om saker som mörk materia och svarta hål, bildandet och utvecklingen av stjärnor och galaxer, och fysiken hos kosmiska partiklar med hög energi som neutriner.

"Det är väldigt annorlunda och väldigt intressant, " Sa Jeong. "Vi har enorma upptäcktsutrymmen."

Ciardullo lade till, "En sak kan du sluta dig till - om du först måste se ett föremål innan du riktar ditt spektroskop dit, det är bra, men det kräver att föremålet ska kunna ses. HETDEX kan observera spektra av saker som du inte kan se."

Detta innebär att förutom den kända data som den samlar in, HETDEX öppnar ett fönster för oväntade fynd, ännu oförutsedda upptäckter. "Vi kommer att vara en vägfinnare för fler experiment, " Ciardullo sa, och den känslan återspeglas av andra i laget, inklusive Fox.

"Vi kommer definitivt att bli flammande stigar där ute, " sa han. "Det finns stora, stor potential för riktigt spännande upptäckter."

Tillbaka till rötterna, och vidare

Den futuristiska vetenskapen om HETDEX är, i en konstig vändning, mycket i linje med de idéer som drev utvecklingen av Hobby-Eberly Telescope (HET) för nästan 40 år sedan.

"HET var ursprungligen tänkt som Penn State Spectroscopic Survey Telescope, " förklarade professor emeritus i astronomi och astrofysik Larry Ramsey, som uppfann teleskopet 1983 med dåvarande Penn State-kollegan Dan Weedman, och fungerade senare som ordförande för HET:s styrelse. "Det ursprungliga uppdraget var att genomföra spektroskopiska undersökningar, och under de nästan 20 åren mellan när vi först dedikerade teleskopet och när vi startade HETDEX, teleskopet gjorde inte riktigt undersökningar. Så i en mycket verklig mening tar HETDEX HET tillbaka till sina rötter, och det har växt till ett riktigt intressant projekt."

"Omfattningen av denna undersökning är mycket futuristisk, även nu, " sa Jeong. Påminner om en nyligen genomförd kosmologikonferens, han berättade en diskussion om framtiden för galaktiska undersökningar. "Jag satt där och lyssnade, och det var i princip vad vi gjorde, ", sa han. "HETDEX är en framtidsundersökning som finns nu."

Förutom vad HETDEX upptäcker om mörk energi, de data som den samlar in kommer också att ge foder för framtida studier långt utanför dess eget uppdrag. Och chansen är, HETDEX kommer att fortsätta att göra "rymdbrytande" vetenskap i det avlägsna, högt rödskiftande universum under ganska många år framöver.

"Även för närvarande planerade framtida undersökningar går inte längre än HETDEX, " sa Jeong. "Jag tror att vi fortfarande kommer att ligga i framkant, även om 10 år."