I 29 nya vetenskapliga artiklar, Dark Energy Survey undersöker de största kartorna någonsin över galaxens utbredning och former, sträcker sig mer än 7 miljarder ljusår över universum. Den utomordentligt exakta analysen, som inkluderar data från undersökningens första tre år, bidrar till det mest kraftfulla testet av den nuvarande bästa modellen av universum, den vanliga kosmologiska modellen. Dock, antydningar kvarstår från tidigare DES-data och andra experiment som betyder något i universum idag är några procent mindre klumpigt än förutspått.

Nya resultat från Dark Energy Survey (DES) använder det största provet någonsin av galaxer som observerats över nästan en åttondel av himlen för att producera de mest exakta mätningarna hittills av universums sammansättning och tillväxt.

DES avbildar natthimlen med en 570-megapixel Dark Energy Camera på National Science Foundations Víctor M. Blanco 4-metersteleskop vid Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO) i Chile, ett program från NSF:s NOIRLab. En av de mest kraftfulla digitalkamerorna i världen, Dark Energy Camera designades speciellt för DES. Den finansierades av Department of Energy (DOE) och byggdes och testades på DOE:s Fermilab.

Under sex år, från 2013 till 2019, DES använde 30 % av tiden på Blanco-teleskopet och undersökte 5000 kvadratgrader – nästan en åttondel av hela himlen – under 758 observationsnätter, katalogisera hundratals miljoner föremål. Resultaten som tillkännages idag bygger på data från de första tre åren – 226 miljoner galaxer observerade under 345 nätter – för att skapa de största och mest exakta kartorna hittills över fördelningen av galaxer i universum under relativt nya epoker. DES-data bearbetades vid National Center for Supercomputing Applications vid University of Illinois i Urbana-Champaign.

"NOIRLab är en stolt värd för och medlem av DES-samarbetet, sa Steve Heathcote, CTIO biträdande direktör. "Både under och efter undersökningen, Dark Energy Camera har varit ett populärt val för samhälls- och chilenska astronomer."

För närvarande, Dark Energy Camera används för program som täcker ett stort spektrum av vetenskap inklusive kosmologi. The Dark Energy Camera vetenskapsarkiv, inklusive DES Data Release 2 som dessa resultat är baserade på, är kurerad av Community Science and Data Center (CSDC), ett program från NSF:s NOIRLab. CSDC tillhandahåller mjukvarusystem, användartjänster, och utvecklingsinitiativ för att ansluta och stödja de vetenskapliga uppdragen för NOIRLabs teleskop, inklusive Blanco-teleskopet på CTIO.

Eftersom DES studerade närliggande galaxer såväl som de miljarder ljusår bort, dess kartor ger både en ögonblicksbild av universums nuvarande storskaliga struktur och en bild av hur den strukturen har utvecklats under de senaste 7 miljarder åren.

Vanlig materia utgör bara cirka 5% av universum. mörk energi, som kosmologer antar driver den accelererande expansionen av universum genom att motverka tyngdkraften, står för ca 70 %. De sista 25% är mörk materia, vars gravitationsinflytande binder samman galaxer. Både mörk materia och mörk energi förblir osynliga. DES försöker belysa deras natur genom att studera hur konkurrensen mellan dem formar universums storskaliga struktur över kosmisk tid.

För att kvantifiera fördelningen av mörk materia och effekten av mörk energi, DES förlitade sig huvudsakligen på två fenomen. Först, i stor skala är galaxer inte slumpmässigt fördelade i rymden utan bildar snarare en webbliknande struktur som beror på mörk materias gravitation. DES mätte hur denna kosmiska väv har utvecklats under universums historia. Galaxklustringen som bildar det kosmiska nätet avslöjade i sin tur regioner med en högre täthet av mörk materia.

Andra, DES upptäckte signaturen av mörk materia genom svag gravitationslins. När ljus från en avlägsen galax färdas genom rymden, gravitationen av både vanlig och mörk materia i förgrunden kan böja dess väg, som genom en lins, vilket resulterar i en förvrängd bild av galaxen sett från jorden. Genom att studera hur de skenbara formerna av avlägsna galaxer är inriktade med varandra och med positionerna för närliggande galaxer längs siktlinjen, DES-forskare kunde sluta sig till klumpigheten hos den mörka materien i universum.

För att testa kosmologernas nuvarande modell av universum, DES-forskare jämförde sina resultat med mätningar från European Space Agencys kretsande Planck-observatorium. Planck använde ljus som kallas den kosmiska mikrovågsbakgrunden för att se tillbaka till det tidiga universum, bara 400, 000 år efter Big Bang. Planckdata ger en exakt bild av universum för 13 miljarder år sedan, och den standardiserade kosmologiska modellen förutsäger hur den mörka materien bör utvecklas till nuet.

I kombination med tidigare resultat ger DES det mest kraftfulla testet av den nuvarande bästa modellen av universum hittills, och resultaten överensstämmer med förutsägelserna av standardmodellen för kosmologi. Dock, antydningar kvarstår från DES och flera tidigare galaxundersökningar om att universum idag är några procent mindre klumpigt än förutspått.

Tio regioner av himlen valdes ut som "djupa fält" som Dark Energy Camera avbildade upprepade gånger under undersökningen. Genom att stapla ihop dessa bilder kunde forskarna se fler avlägsna galaxer. Teamet använde sedan rödförskjutningsinformationen från de djupa fälten för att kalibrera resten av undersökningsregionen. Detta och andra framsteg inom mätningar och modellering, tillsammans med en trefaldig ökning av data jämfört med det första året, gjorde det möjligt för teamet att fastställa universums täthet och klumpighet med oöverträffad precision.

DES avslutade sina observationer av natthimlen 2019. Med erfarenheterna från att analysera den första hälften av data, teamet är nu redo att hantera hela datasetet. Den slutliga DES-analysen förväntas måla en ännu mer exakt bild av mörk materia och mörk energi i universum.

DES-samarbetet består av över 400 forskare från 25 institutioner i sju länder.

"Samarbetet är anmärkningsvärt ungt. Det lutar starkt i riktning mot postdoktorer och doktorander som gör en enorm mängd av detta arbete, " sa DES direktör och talesman Rich Kron, som är en Fermilab och University of Chicago-forskare. "Det är verkligen glädjande. En ny generation av kosmologer utbildas med hjälp av Dark Energy Survey."

Metoderna som utvecklats av teamet har banat väg för framtida himmelundersökningar som Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time. "DES visar att eran av stora undersökningsdata har börjat på riktigt, " konstaterar Chris Davis, NSF:s programchef för NOIRLab. "DES på NSF:s Blanco-teleskop har skapat scenen för de anmärkningsvärda upptäckterna som kommer med Rubin Observatory under det kommande decenniet."