DESI создает самую большую 3D-карту Вселенной

прибор для спектроскопии темной энергииДЕЗИ) завершил первые семь месяцев своего исследования, побив все предыдущие рекорды трехмерных исследований галактик, создав самую большую и самую подробную карту Вселенной из когда-либо созданных. Тем не менее, он приближается только к 10% пути за свою пятилетнюю миссию. Когда эта детальная трехмерная карта будет завершена, она позволит лучше понять темную энергию, тем самым давая физикам и астрономам лучшее понимание прошлого и будущего Вселенной. Между тем удивительные технические характеристики и космические достижения обзора пока что помогают ученым раскрыть секреты самых мощных источников света во Вселенной.

DESI — это международное научное сотрудничество, которым управляет Национальная лаборатория Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Лаборатория Беркли) при начальном финансировании строительства и эксплуатации из Управления науки Министерства энергетики.

Ученые DESI представляют работу прибора и некоторые ранние результаты астрофизики на этой неделе на вебинаре, организованном лабораторией Беркли под названием CosmoPalooza, на котором также будут представлены обновления других новаторских космических экспериментов.

«В этом много красоты», — сказал Джулиан Гей, ученый из лаборатории Беркли, один из выступавших. «В распределении галактик на 3D-карте есть массивные скопления, нити и пустоты. Это самые большие структуры во Вселенной. Но внутри них вы находите отпечаток самой ранней Вселенной и истории ее расширения. с того времени.»

DESI прошла долгий путь, чтобы добраться до этой точки. Первоначально он был предложен более десяти лет назад, а строительство устройства началось в 2015 году. Оно установлено на 4-метровом телескопе Николаса У. Мэйвелла в обсерватории Кейт Саммит недалеко от Тусона, штат Аризона. Национальная обсерватория Китт-Пик — это программа Национального научного фонда (NSF) NOIRLab, с которой Министерство энергетики заключает контракт на эксплуатацию телескопа Mayall для исследования DESI. Инструмент увидел свой первый свет в конце 2019 года. Затем, на этапе его проверки, разразилась пандемия коронавируса, и телескоп закрылся на несколько месяцев, хотя некоторые удаленные работы продолжались. В декабре 2020 года DESI снова обратил свой взор к небу, протестировал свое аппаратное и программное обеспечение и к маю 2021 года был готов начать свои научные исследования.

Пролистайте трехмерную карту галактик из завершенного Слоановского цифрового обзора неба.

Фрагмент трехмерной карты галактик за первые несколько месяцев спектроскопии темной энергии (DESI; справа). Земля расположена в центре, а самые дальние галактики удалены от нее более чем на 10 миллиардов световых лет. Каждая точка представляет одну галактику. Этот 2D-срез 3D-карты DESI показывает только около 800 000 из 7,5 миллионов галактик, сканируемых в настоящее время, что само по себе является лишь частью 35 миллионов галактик, которые будут на окончательной карте. Предоставлено: Д. Шлегель/Лаборатория Беркли с использованием данных DESI.

Но работа над самим DESI не была закончена, как только началась съемка. «Работа над тем, чтобы заставить этот инструмент работать, продолжается», — сказал физик из Университета штата Огайо Клаус Хюншайд, ученый-машиностроитель, участвующий в проекте, который представит первую статью с сессии CosmoPalooza DESI. Хоншайд и его команда обеспечивают плавную и автоматическую работу инструмента, в идеале без каких-либо помех во время мониторинга в ночное время. «Отзывы, которые я получаю от ночных наблюдателей, заключаются в том, что смены скучны, и я воспринимаю это как комплимент», — сказал он.

Но эта монотонная производительность требует невероятно детального контроля над каждым из 5000 сложных роботов, которые размещают оптические волокна на приборе DESI, обеспечивая точность их положения с точностью до 10 микрон. «Десять микрон — это очень мало, — сказал Хоншед. «Это меньше толщины человеческого волоса. И вы должны использовать каждого робота, чтобы собирать свет от галактик, которые находятся в миллиардах световых лет от нас. Каждый раз, когда я думаю об этой системе, мне интересно, как мы можем ее достичь? Успех DESI как инструмента — это то, чем можно гордиться».

Увидеть истинные цвета темной энергии

Этот уровень здоровье Это необходимо для выполнения основной задачи обзора: собрать подробные изображения цветового спектра миллионов галактик более чем на трети всего неба. Разбивая свет от каждой галактики на их цветовой спектр, DESI может количественно определить красное смещение света — растянутое к красному концу спектра из-за расширения Вселенной за миллиарды лет, которые она прошла, прежде чем достигла Земли. Именно эти красные смещения позволяют DESI видеть глубину неба.

Чем больше красное смещение спектра галактики в целом, тем дальше она от него. Имея под рукой трехмерную карту Вселенной, физики могут наносить на карту скопления и сверхскопления галактик. Эти структуры несут в себе отголоски своего первоначального формирования, когда они были всего лишь рябью в младенческой вселенной. Вызывая эти эхо-сигналы, физики могут использовать данные DESI для определения истории расширения Вселенной.

Новый квазар, обнаруженный с помощью DESI, дает представление о Вселенной такой, какой она была почти 13 миллиардов лет назад, менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Это самый далекий квазар DESI, обнаруженный до сих пор, из набора квазаров DESI с чрезвычайно высоким красным смещением. На заднем плане показан этот квазар и его окрестности в фотограмметрии DESI Legacy Photogrammetry Surveys. Авторы и права: Дженни Янг, Обсерватория Стюарда/Университет Аризоны.

Наша научная цель состоит в том, чтобы измерить отпечатки волн в первозданном плазма— сказал Гай. «Удивительно, что мы действительно можем обнаружить эффект этих волн через миллиарды лет и так быстро в нашем обзоре».

Понимание истории расширения имеет решающее значение, поскольку на карту поставлена ​​не что иное, как судьба всей вселенной. Сегодня около 70% содержимого Вселенной составляет темная энергия, таинственная форма энергии, которая ускоряет расширение Вселенной. По мере того, как Вселенная расширяется, появляется больше темной энергии, что еще больше ускоряет расширение в цикле, который поднимает часть темной энергии во Вселенной вверх. Темная энергия в конечном итоге определит судьбу Вселенной: будет ли она расширяться вечно? Не рухнет ли он снова на себя, в большой взрыв назад? Или она сама разорвется? Ответы на эти вопросы означают больше узнать о том, как темная энергия вела себя в прошлом — и именно для этого был разработан DESI. И, сравнивая историю расширения с историей роста, космологи могут проверить, верна ли общая теория относительности Эйнштейна на этих огромных участках пространства и времени.

Черные дыры и яркие галактики

Но понимание судьбы Вселенной должно отложиться до тех пор, пока DESI не завершит исследование. Между тем, DESI уже совершает прорыв в нашем понимании далекого прошлого, более 10 миллиардов лет назад, когда галактики были еще молодыми.

«Это действительно потрясающе», — сказал Рагадипика Пуча, аспирант астрономии Аризонского университета, работающий над DESI. «DESI расскажет нам больше о физике образования и эволюции галактик».

Пуча и ее коллеги используют данные DESI, чтобы понять поведение черных дыр средней массы в небольших галактиках. Считается, что сверхмассивные черные дыры обитают в сердце почти каждой большой галактики, такой как наша. Млечный Путь. Но всегда ли маленькие галактики имеют свои (меньшие) черные дыры в своих ядрах. Черные дыры почти невозможно найти сами по себе, но если они притянут достаточно материала, их станет легче обнаружить. При попадании газа, пыли и других материалов в Черная дыра По мере того, как она нагревается (до температуры выше ядра звезды) на пути вглубь суши, формируется активное галактическое ядро ​​(АЯГ). В больших галактиках активные галактические ядра являются одними из самых ярких объектов в известной Вселенной. Но в меньших галактиках АЯГ могут быть намного тусклее, и их трудно отличить от новорожденных звезд. Спектры, захваченные DESI, могут помочь решить эту проблему — и то, как далеко они распространяются по небу, даст больше информации о ядрах молодых галактик, чем когда-либо прежде. Эти ядра, в свою очередь, дадут ученым подсказки о том, как образовались AGN в ранней Вселенной.

Квазары — разнообразная группа ярких галактик — являются одними из самых ярких и далеких объектов. «Мне нравится думать о них как о фонарных столбах, оглядываясь назад на историю Вселенной», — сказала Виктория Фосетт, аспирант астрономии Даремского университета в Великобритании. Квазары являются отличными исследователями ранней Вселенной из-за их огромной силы. Данные DESI вернутся назад во времени на 11 миллиардов лет.

Фосетт и ее коллеги используют данные DESI, чтобы понять эволюцию самих квазаров. Считается, что квазары изначально окружены оболочкой из пыли, которая окрашивает излучаемый ими свет в красный цвет, как солнце сквозь дымку. С возрастом они удаляют эту пыль и становятся более голубыми. Но эту теорию было трудно проверить из-за скудости данных о красных квазарах. DESI меняет это, поскольку было обнаружено больше квазаров, чем в любом предыдущем обзоре, и в окончательных данных обзора ожидается 2,4 миллиона квазаров.

«DESI действительно великолепен, потому что он улавливает более тусклые и красные объекты», — сказал Фосетт. Она добавляет, что это позволяет ученым проверить идеи об эволюции квазаров, которые раньше невозможно было проверить. И это касается не только квазаров. «Мы находим очень большое количество экзотических систем, в том числе большие образцы редких вещей, которые мы не могли детально изучить раньше», — сказал Фосетт.

Это еще не все. Обзор уже каталогизировал более 7,5 миллионов галактик и добавляет больше со скоростью более миллиона галактик в месяц. Только в ноябре 2021 года DESI составил каталог красных смещений 2,5 миллиона галактик. Ожидается, что к концу своей работы в 2026 году в каталоге DESI будет более 35 миллионов галактик, что позволит проводить широкий спектр космологических и астрофизических исследований.

«Все эти данные просто есть, и они просто ждут, чтобы их проанализировали», — сказал Буча. «И тогда мы найдем много удивительных вещей о галактиках. Для меня это захватывающе».

DESI поддерживается Управлением науки Министерства энергетики и Национальным центром научных вычислений для исследований в области энергетики, пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики. Дополнительную поддержку DESI оказывают Национальный научный фонд США, Совет по научно-техническим средствам Великобритании, Фонд Гордона и Бетти Мур, Фонд Хейзинга-Саймонса, Французская комиссия по альтернативной и атомной энергии (CEA), Национальный научный и Технологический совет Мексики, Министерство экономики Испании, учреждения-члены DESI.

DESI Collaboration имеет честь разрешить ему проводить научные исследования на горе Иолкам Дуаг (Пик Китт), горе, представляющей особый интерес для народа Тохоно О’одхам.