Najveća 3D mapa svemira za revoluciju u fizici

Znanstvenici američkog Berkeley Laba koristili su Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) za izradu najveće 3D karte svemira, koju je moguće istražiti u interaktivnom VR videu koji možete pogledati ovdje.

U procesu su otkrili neke primamljive naznake da bi naše razumijevanje fizike, uključujući konačnu sudbinu kozmosa, moglo biti pogrešno.

DESI je veliki međunarodni projekt za mapiranje svemira u tri dimenzije, koji je počeo prikupljati podatke 2021. godine.

Ova rana verzija karte uključuje samo podatke prikupljene tijekom prve godine, odnosno 5,7 milijuna galaksija i kvazara od planiranog cilja od 40 milijuna. Ti podaci omogućuju znanstvenicima da zavire čak 11 milijardi svjetlosnih godina u duboki svemir i vrijeme, dajući uvid u vrlo rani svemir s dosad neviđenom preciznošću.

Istraživači su podijelili analizu svoje prve godine prikupljenih podataka u više radova koji će danas biti objavljeni na arXivu i predstavljeni na sastanku Američkog fizikalnog društva u Sjedinjenim Državama i Rencontres de Moriond u Italiji.

"Nevjerojatno smo ponosni na podatke koji su proizveli vodeće svjetske kozmološke rezultate i prvi su koji proizlaze iz nove generacije eksperimenata s tamnom energijom", rekao je Michael Levi, direktor DESI-ja i znanstvenik na Odsjeku za energetiku Berkeley Laba, koji vodi projekt. "Do sada vidimo osnovno slaganje s našim najboljim modelom svemira, ali također i neke potencijalno zanimljive razlike koje bi mogle ukazivati ​​na to da tamna energija evoluira s vremenom."

DESI je međunarodna suradnja više od 900 istraživača iz preko 70 institucija diljem svijeta. Instrument je konstruiran i njime se upravlja uz financiranje Ureda za znanost DOE-a, a nalazi se na vrhu 4-metarskog teleskopa američke Nacionalne znanstvene zaklade Nicholas U. Mayall na Nacionalnom opservatoriju Kitt Peak, programu NSF-ovog NOIRLaba.

Gledajući DESI-jevu kartu, lako je vidjeti temeljnu strukturu svemira: nizovi galaksija skupljeni zajedno, odvojeni prazninama s manje objekata. Naš vrlo rani svemir, daleko izvan DESI-jevog pogleda, bio je sasvim drugačiji: vruća, gusta juha subatomskih čestica koje se kreću prebrzo da bi formirale stabilnu materiju poput atoma koje danas poznajemo. Među tim česticama bile su jezgre vodika i helija, koje se zajednički nazivaju barioni.

Sićušne fluktuacije u ovoj ranoj ioniziranoj plazmi uzrokovale su valove pritiska, pomičući barione u uzorak valova koji je sličan onome što biste vidjeli da bacite šaku šljunka u jezero.

Kako se svemir širio i hladio, formirali su se neutralni atomi i valovi pritiska su prestali, zamrzavajući mreškanje u tri dimenzije i povećavajući grupiranje budućih galaksija u gustim područjima. Milijardama godina kasnije još uvijek možemo vidjeti ovaj slabašni uzorak 3D valova ili mjehurića u karakterističnom razdvajanju galaksija – značajki koja se naziva Barionske akustične oscilacije (BAO).

Istraživači koriste BAO mjerenja kao kozmičko ravnalo. Mjerenjem prividne veličine ovih mjehurića, mogu odrediti udaljenosti do materije koja je odgovorna za ovaj izuzetno blijed uzorak na nebu. Mapiranje BAO mjehurića blizu i daleko omogućuje istraživačima da podatke razdvoje u dijelove, mjereći koliko se brzo svemir širio u svakom trenutku u svojoj prošlosti i modelirajući kako tamna energija utječe na to širenje.

DESI ipak nije dizajniran samo za izradu nevjerojatnih mapa i videa. Njegova je svrha potraga za dokazima tamne energije, tajanstvene sile koja uzrokuje ubrzanje širenja svemira. Prema našem trenutačno najboljem modelu kozmologije – modelu Lambda hladne tamne tvari (LCDM) – tamna energija čini 68% sadržaja svemira, ali o njoj znamo uznemirujuće malo.

Ovaj teleskop dizajniran je za snimanje milijuna galaksija i kvazara kako bi se izmjerila njihova udaljenost i brzina, a s dovoljno katalogiziranih objekata astronomi mogu izračunati kako se brzina širenja svemira mijenjala tijekom vremena. To nam onda može reći više o prirodi tamne energije u različitim epohama dubokog vremena.

"Nijedan spektroskopski eksperiment prije nije imao toliko podataka, a mi nastavljamo prikupljati podatke iz više od milijun galaksija svaki mjesec", rekla je Nathalie Palanque-Delabrouille, glasnogovornica eksperimenta. "Zapanjujuće je da sa samo našom prvom godinom podataka, već možemo mjeriti povijest širenja našeg svemira u sedam različitih odsječaka kozmičkog vremena."

Većina dosadašnjih analiza slaže se s LCDM modelom, koji kaže da tamna energija treba ostati konstantna kroz kozmičko vrijeme. Ali kada je tim kombinirao DESI podatke s onima iz drugih studija, pronašli su neke intrigantne naznake koje se baš ne uklapaju u prihvaćeni model. Čini se da se nama najbliže galaksije ne udaljavaju onoliko brzo koliko bi trebale biti, da je tamna energija konstanta. To implicira da bi njegov utjecaj mogao slabiti s vremenom.

Ako je to slučaj, to bi moglo imati velike implikacije na konačnu sudbinu apsolutno svega. Prethodno je najvjerojatniji scenarij za kraj svemira bio da će tamna energija na kraju sve toliko udaljiti da se atomi više neće moći grupirati u molekule, ostavljajući svemir hladnim, mračnim i dosadnim mjestom. Ali ako je tamna energija promjenjivija, ova "toplinska smrt" možda neće biti način na koji sve završava.

DESI bi trebao završiti svoje prikupljanje podataka 2026. godine, a nakon toga bi mogao dobiti nadogradnju za nastavak rada. U sljedećih nekoliko godina znanstvenici bi mogli riješiti vjerojatno najzbunjujuće pitanje u kozmologiji.