DESI-instrumentti on laatinut tähän mennessä suurimman 3D-kartan universumistamme. Tämä viipale näyttää galaksit, jotka on kartoitettu DESI:n viisivuotisen tutkimuksen ensimmäisenä vuonna. Maa sijaitsee tämän ohuen viipaleen keskellä koko kartasta. Suurennetussa osassa on helppo nähdä aineen taustarakennetta universumissamme.
Tulokset vahvistavat Einsteinin gravitaatioteorian, yleisen suhteellisuusteorian, pätevyyden kosmologisilla mittakaavoilla.
Gravitaatio on muovannut kosmostamme, ja sen vetovoiman vaikutuksesta pienet tiheyserot aineen jakautumisessa varhaisessa Universumissa ovat kehittyneet muodostaen galakseja ja suuria kosmologisia rakenteita, joita tänään havainnoimme.
Uusi tutkimus, joka hyödyntää "Dark Energy Spectroscopic Instrument" (DESI, pimeän energian spektroskooppinen laite) -tietoja, on jäljittänyt, miten nämä rakenteet ovat kehittyneet viimeisten 11 miljardin vuoden aikana, tarjoten näin tarkimman testin tähän mennessä gravitaatiosta erittäin suurilla mittakaavoilla.
Tämä uusi yhteistyön tutkimus esitetään useissa artikkeleissa, jotka on julkaistu verkkoarkistossa arXiv ja esitetty täällä. Sen tavoitteena on testata Einsteinin gravitaatioteorian, yleisen suhteellisuusteorian, pätevyyttä kosmologisilla mittakaavoilla, joille on ehdotettu muutoksia vaihtoehtoina pimeälle energialle selittämään Universumin laajenemisen kiihtyvyyttä.
Kansainvälinen DESI-yhteistyö, johon kuuluu yli 900 tutkijaa yli 70 eri instituutiosta ympäri maailmaa, on Lawrence Berkeley National Laboratoryn (Berkeley Lab) hallinnoima.
Tässä 360 asteen videossa voit lähteä interaktiiviselle lennolle miljoonien galaksien läpi, jotka on kartoitettu DESI:n havaintojen avulla.
Credit: Fiske Planetarium, CU Boulder and DESI collaboration.
Näin ollen kiihtyvän laajenemisen mekanismia tutkitaan kahdella lähestymistavalla. Ensimmäinen lähestymistapa olettaa uuden Universumin komponentin, pimeän energian, olemassaolon, jonka ominaisuuksia yritetään määrittää, erityisesti sen kehitystä ajan myötä tai sen pysyvyyttä. Toinen lähestymistapa ehdottaa gravitaatiomalleja, jotka ovat muunneltuja suhteellisuusteoriaan verrattuna, selittämään Universumin laajenemisen kiihtyvyyttä ilman pimeää energiaa.
Tässä uudessa tutkimuksessa, jota johtavat Pauline Zarrouk, CNRS-kosmologi Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Energies (LPNHE), DESI-yhteistyön tutkijat ovat havainneet, että gravitaatio käyttäytyy Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mukaisesti.
Tämä tulos vahvistaa siis Universumin viitekehysmallin ja rajoittaa mahdollisia laajennuksia yleiseen suhteellisuusteoriaan. "Yleistä suhteellisuusteoriaa on testattu runsaasti ja tarkasti tähtijärjestelmien mittakaavassa, mutta meidän oli myös varmistettava, että hypoteesimme toimii paljon suuremmilla mittakaavoilla", selittää Pauline Zarrouk. "Galaksien nopeuksien tilastollinen mittaus Universumin historian aikana mahdollistaa suoran testauksen gravitaatioteorialle.
Tämä on ensimmäinen kerta, kun teemme tämän uuden monimutkaisen analyysin DESI:llä jäljittääksemme kosmisten rakenteiden kasvun historiaa. Tuloksemme osoittavat, että toistaiseksi olemme yhdenmukaisia sen kanssa, mitä yleinen suhteellisuusteoria ennustaa kosmologisilla mittakaavoilla."
Tämä simulaatio näyttää, miten gravitaatio vaikuttaa havaittujen galaksien sijaintiin, muuttaen siten aineen kokoontumista muodostaakseen kosmologisia rakenteita. Koska erilaiset gravitaatiomallit ennustavat erilaisia rakenteiden muodostumisia, DESI:n tutkijat voivat verrata havaintoja ennusteisiin ja siten testata gravitaatiota kosmologisilla mittakaavoilla.
Credit: Claire Lamman et Michael Rashkovetskyi / DESI collaboration.
Julkaistut tulokset muodostavat syvällisen analyysin DESI:n ensimmäisen vuoden tiedoista, jotka mahdollistivat huhtikuussa suurimman 3D-kartan Universumista tähän mennessä ja paljastivat viitteitä mahdollisesta pimeän energian kehityksestä ajan myötä. Huhtikuun tulokset käsittelivät erityistä ominaisuutta galaksien avaruudellisessa jakautumisessa, jota kutsutaan baryonisten akustisten värähtelyjen (BAO) nimellä.
Uusi analyysi laajentaa soveltamisalaa saadakseen lisää tietoa tiedoista mittaamalla, miten galaksit ja aine jakautuvat eri mittakaavoilla avaruudessa. Tutkimus vaati kuukausia lisätyötä ja ristiin tarkistamista. Kuten edellinen tutkimus, se käytti tekniikkaa, joka piilottaa tuloksen tutkijoilta loppuun asti, jotta kaikki tiedostamattomat puolueellisuudet analyysissä voitaisiin sulkea pois.
Monimutkainen analyysi käsitteli lähes 6 miljoonaa galaksia ja kvasaari, jotka sijaitsevat 1–11 miljardin valovuoden päässä Maasta. Vain yhden vuoden tietojen avulla DESI on toteuttanut tarkimman globaalin mittauksen kosmisten rakenteiden kasvusta, ylittäen aikaisemmat ponnistelut, jotka ovat kestäneet vuosikymmeniä.
"Kiitos tälle valtavalle tietomäärälle ja analyysiemme parantamiselle, ensimmäisen vuoden tietojen tuottamat tulokset ovat upeita", sanoi Arnaud de Mattia, kosmologi CEA Paris-Saclayssa ja DESI:n kosmologisten tietojen tulkinnasta vastaavan ryhmän yhteisjohtaja. "Testaamme ennennäkemättömällä tarkkuudella pimeän energian ja yleisen suhteellisuusteorian vaikutusta kosmologisilla mittakaavoilla."
Tutkimus on myös tarjonnut uusia ylärajoja neutriinoiden massalle, ainoille peruspartikkeleille, joiden massaa ei ole vielä mitattu tarkasti. Neutriinojen fysiikan kokeet osoittavat, että kolmen neutriinotyypin massojen summa on oltava välillä 0,06 eV/c2 ja 1,35 eV/c2 (noin miljoona kertaa kevyempi kuin elektroni). Standardin kosmologisen mallin puitteissa, jossa pimeä energia kuvataan kosmologisena vakiona, DESI:n tulokset viittaavat siihen, että summan tulisi olla alle 0,07 eV/c2 (95 % todennäköisyydellä), jättäen näin kapean ikkunan neutriinoiden massoille.
"Kuitenkin DESI:n tuloksia voidaan myös tulkita kosmologisessa mallissa, jossa pimeä energia voi vaihdella ajan myötä, kuten viimeaikaiset havainnot viittaavat", tarkentaa Etienne Burtin, fyysikko CEA Paris-Saclaysta ja joka on ollut mukana DESI:n datan analyysiryhmän johtamisessa. "Tässä kontekstissa saatu yläraja, 0,19 eV/c2, on toki korkeampi, mutta se riippuu paljon vähemmän käytetystä kosmologisesta mallista ja on edelleen tiukempi kuin hiukkasfysiikan kokeet."
DESI on huipputeknologinen laite, joka voi kerätä valoa 5 000 galaksista samanaikaisesti. Se on rakennettu ja sitä käytetään Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) Science Office -rahoituksella. DESI sijaitsee National Science Foundationin (NSF) 4 metrin Nicholas U. Mayall -teleskoopin huipulla Kitt Peakin kansallisessa observatoriossa. Kokemus on neljännellä vuodellaan viidestä taivaan tutkimusta varten ja se aikoo kerätä noin 40 miljoonaa galaksia ja kvasaari projektin päättymiseen mennessä.
DESI-yhteistyö jatkaa havaintojaan ja analysoi parhaillaan kolmea ensimmäistä havaintovuotta. Se aikoo esittää vielä tarkempia mittauksia Universumin laajenemisen historiasta ja niiden vaikutuksista pimeän energian luonteeseen keväällä 2025.
Ranskalaiset instituutit, jotka osallistuvat DESI-ohjelmaan, ovat Universumin peruslakien tutkimuslaitos (Irfu, CEA-Paris Saclay), ydinfysiikan ja korkean energian laboratorio (LPNHE, CNRS / Sorbonne Université / Université Paris Cité), Marseillen hiukkasfysiikan keskus (CPPM, CNRS / Aix-Marseille Université) ja Marseillen astrofysiikan laboratorio (LAM, CNRS / Aix-Marseille Université / CNES).
DESI:tä tukevat Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) Science Office ja National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), DOE:n Science Office -laskentakeskus. DESI saa myös tukea Yhdysvaltain National Science Foundationilta, Yhdistyneen kuningaskunnan Science and Technologies Facilities Councililta, Gordon and Betty Moore Foundationilta, Heising-Simons Foundationilta, Ranskan atomienergia- ja vaihtoehtoisten energialaitokselta (CEA), Meksikon kansalliselta tiede- ja teknologiavaltuustolta, Espanjan talousministeriöltä sekä DESI:n jäseninstituutioilta.
DESI-yhteistyö on kunnioitettuna, että se saa tehdä tieteellistä tutkimusta Du'ag (Kitt Peak) -vuorella, joka on erityisen tärkeä Tohono O'odham -kansalle.