Med 5 000 små robotar i ett bergstoppsteleskop kan forskare se 11 miljarder år in i det förflutna. Ljuset från avlägsna objekt i rymden når just nu Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), vilket gör det möjligt för oss att kartlägga vårt kosmos som det var i sin ungdom och spåra dess tillväxt till det vi ser idag.
Att förstå hur vårt universum har utvecklats är kopplat till hur det slutar, och till ett av fysikens största mysterier:mörk energi, den okända ingrediensen som får vårt universum att expandera snabbare och snabbare.
För att studera mörk energis effekter under de senaste 11 miljarder åren har DESI skapat den största 3D-kartan över vårt kosmos som någonsin konstruerats, med de mest exakta mätningarna hittills. Detta är första gången forskare har mätt det unga universums expansionshistoria med en precision som är bättre än 1 %, vilket ger oss vår bästa bild hittills av hur universum utvecklats.
Forskare delade analysen av deras första år med insamlad data i flera artiklar som kommer att publiceras idag på arXiv pre-print server och i samtal vid American Physical Society möte i USA och Rencontres de Moriond i Italien.
"Vi är otroligt stolta över data, som har producerat världsledande kosmologiska resultat och är de första som kommer ut ur den nya generationen av mörk energiexperiment", säger Michael Levi, DESI-direktör och en forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), som sköter projektet.
"Än så länge ser vi grundläggande överensstämmelse med vår bästa modell av universum, men vi ser också några potentiellt intressanta skillnader som kan tyda på att mörk energi utvecklas med tiden. De kan eller kanske inte försvinna med mer data, så vi är glada över att snart börja analysera vår treåriga datauppsättning."
Vår ledande modell av universum är känd som Lambda CDM. Det inkluderar både en svagt interagerande typ av materia (kall mörk materia eller CDM) och mörk energi (Lambda). Både materia och mörk energi formar hur universum expanderar – men på motsatta sätt. Materia och mörk materia bromsar expansionen, medan mörk energi påskyndar den. Mängden av varje påverkar hur vårt universum utvecklas. Den här modellen gör ett bra jobb med att beskriva resultat från tidigare experiment och hur universum ser ut genom tiden.
Men när DESI:s förstaårsresultat kombineras med data från andra studier finns det några subtila skillnader med vad Lambda CDM skulle förutsäga. När DESI samlar in mer information under sin femåriga undersökning kommer dessa tidiga resultat att bli mer exakta och belysa om data pekar på olika förklaringar till resultaten vi observerar eller behovet av att uppdatera vår modell.
Mer data kommer också att förbättra DESI:s andra tidiga resultat, som väger in på Hubble-konstanten (ett mått på hur snabbt universum expanderar idag) och massan av partiklar som kallas neutriner.
"Inget spektroskopiskt experiment har haft så mycket data tidigare, och vi fortsätter att samla in data från mer än en miljon galaxer varje månad", säger Nathalie Palanque-Delabrouille, en Berkeley Lab-forskare och medtalesman för experimentet.
"Det är häpnadsväckande att vi med bara vårt första år av data redan kan mäta expansionshistoriken för vårt universum vid sju olika delar av kosmisk tid, var och en med en precision på 1 till 3%. Teamet har lagt ner ett enormt arbete för att redogöra för instrumentella och teoretiska modelleringskomplikationer, vilket ger oss förtroende för robustheten i våra första resultat."
DESI:s totala precision på expansionshistoriken över alla 11 miljarder år är 0,5 %, och den mest avlägsna epok, som täckte 8–11 miljarder år i det förflutna, har en rekordprecision på 0,82 %. Den mätningen av vårt unga universum är otroligt svår att göra.
Ändå har DESI inom ett år blivit dubbelt så kraftfull när det gäller att mäta expansionshistoriken vid dessa tidiga tider som dess föregångare (Sloan Digital Sky Surveys BOSS/eBOSS), vilket tog mer än ett decennium.
"Vi är glada över att se kosmologiska resultat från DESI:s första verksamhetsår", säger Gina Rameika, biträdande direktör för högenergifysik vid DOE. "DESI fortsätter att förvåna oss med sin fantastiska prestanda och formar redan vår förståelse av universum."
DESI är ett internationellt samarbete mellan mer än 900 forskare från över 70 institutioner runt om i världen. Instrumentet sitter ovanpå U.S. National Science Foundations Nicholas U. Mayall 4-metersteleskop vid Kitt Peak National Observatory, ett program från NSF:s NOIRLab.
När man tittar på DESI:s karta är det lätt att se universums underliggande struktur:strängar av galaxer samlade i en grupp, åtskilda av tomrum med färre objekt. Vårt mycket tidiga universum, långt bortom DESI:s uppfattning, var helt annorlunda:en het, tät soppa av subatomära partiklar som rörde sig för snabbt för att bilda stabil materia som de atomer vi känner idag. Bland dessa partiklar fanns väte- och heliumkärnor, gemensamt kallade baryoner.
Små fluktuationer i denna tidiga joniserade plasma orsakade tryckvågor som flyttade baryonerna till ett mönster av krusningar som liknar det du skulle se om du slängde en handfull grus i en damm. När universum expanderade och svalnade bildades neutrala atomer och tryckvågorna stannade, vilket fryste krusningarna i tre dimensioner och ökade klustringen av framtida galaxer i de täta områdena.
Miljarder år senare kan vi fortfarande se detta svaga mönster av 3D-krusningar, eller bubblor, i den karakteristiska separationen av galaxer – en funktion som kallas Baryon Acoustic Oscillations (BAOs).
Forskare använder BAO-måtten som en kosmisk linjal. Genom att mäta den skenbara storleken på dessa bubblor kan de bestämma avstånden till den materia som är ansvarig för detta extremt svaga mönster på himlen. Genom att kartlägga BAO-bubblorna både nära och långt borta kan forskare dela upp data i bitar, mäta hur snabbt universum expanderade vid varje tidpunkt i sitt förflutna och modellera hur mörk energi påverkar den expansionen.
"Vi har mätt expansionshistoriken över detta enorma intervall av kosmisk tid med en precision som överträffar alla tidigare BAO-undersökningar tillsammans", säger Hee-Jong Seo, professor vid Ohio University och medledare för DESI:s BAO-analys. "Vi är väldigt glada över att lära oss hur dessa nya mätningar kommer att förbättra och förändra vår förståelse av kosmos. Människor har en tidlös fascination av vårt universum och vill veta både vad det är gjort av och vad som kommer att hända med det."
Att använda galaxer för att mäta expansionshistorien och bättre förstå mörk energi är en teknik, men den kan bara nå så långt. Vid en viss punkt är ljuset från typiska galaxer för svagt, så forskare vänder sig till kvasarer, extremt avlägsna, ljusa galaktiska kärnor med svarta hål i centrum. Ljus från kvasarer absorberas när det passerar genom intergalaktiska gasmoln, vilket gör det möjligt för forskare att kartlägga fickorna med tät materia och använda dem på samma sätt som de använder galaxer – en teknik som kallas att använda "Lyman-alfaskogen."
"Vi använder kvasarer som bakgrundsbelysning för att i princip se skuggan av den mellanliggande gasen mellan kvasarerna och oss", säger Andreu Font-Ribera, en forskare vid Institutet för högenergifysik (IFAE) i Spanien som är med och leder DESI:s Lyman- alfaskogsanalys. "Det låter oss se längre ut till när universum var väldigt ungt. Det är en riktigt svår mätning att göra, och väldigt coolt att se det lyckas."
Forskare använde 450 000 kvasarer, den största uppsättningen som någonsin samlats in för dessa Lyman-alfa-skogsmätningar, för att utöka sina BAO-mätningar ända till 11 miljarder år i det förflutna. I slutet av undersökningen planerar DESI att kartlägga 3 miljoner kvasarer och 37 miljoner galaxer.
State-of-the-art vetenskap
DESI är det första spektroskopiska experimentet som utför en helt "blind analys", som döljer det sanna resultatet från forskarna för att undvika eventuell undermedveten bekräftelsebias. Forskare arbetar i mörker med modifierade data och skriver koden för att analysera sina resultat. När allt är klart tillämpar de sin analys på originaldata för att avslöja det faktiska svaret.
"Sättet vi gjorde analysen på ger oss förtroende för våra resultat, och särskilt i att visa att Lyman-alfaskogen är ett kraftfullt verktyg för att mäta universums expansion", säger Julien Guy, forskare vid Berkeley Lab och medledare för bearbetar information från DESI:s spektrografer.
"Datauppsättningen vi samlar in är exceptionell, liksom den hastighet med vilken vi samlar in den. Det här är den mest exakta mätningen jag någonsin har gjort i mitt liv."
DESI:s data kommer att användas för att komplettera framtida himmelsundersökningar som Vera C. Rubin Observatory och Nancy Grace Roman Space Telescope, och för att förbereda för en potentiell uppgradering till DESI (DESI-II) som rekommenderades i en nyligen publicerad rapport från U.S. Particle Panel för prioritering av fysikprojekt.
"Vi befinner oss i kosmologins gyllene era, med storskaliga undersökningar som pågår och håller på att påbörjas, och nya tekniker utvecklas för att på bästa sätt kunna använda dessa datauppsättningar", säger Arnaud de Mattia, forskare vid French Alternative Energies och Atomic Energy Commission (CEA) och medledare för DESI:s grupp som tolkar kosmologiska data.
"Vi är alla verkligen motiverade att se om nya data kommer att bekräfta funktionerna vi såg i vårt förstaårsprov och bygga en bättre förståelse för dynamiken i vårt universum."
Mer information: DESI Year 1 papers finns tillgängliga på DESI:s webbplats:https://data.desi.lbl.gov/doc/papers/
Journalinformation: arXiv
Tillhandahålls av Lawrence Berkeley National Laboratory
