DESI maakt grootste 3D-kaart van de kosmos

Het spectroscopische instrument voor donkere energie (DESI) heeft de eerste zeven maanden van zijn onderzoek afgesloten door alle eerdere records voor driedimensionale melkwegonderzoeken te verbreken, waardoor de grootste en meest gedetailleerde kaart van het universum ooit is ontstaan. Toch is het slechts ongeveer 10% van de weg door zijn vijfjarige missie. Eenmaal voltooid, zal die fenomenaal gedetailleerde 3D-kaart een beter begrip van donkere energie opleveren, en daardoor natuurkundigen en astronomen een beter begrip geven van het verleden – en de toekomst – van het universum. Ondertussen helpen de indrukwekkende technische prestaties en letterlijk kosmische prestaties van het onderzoek tot nu toe wetenschappers om de geheimen van de krachtigste lichtbronnen in het universum te onthullen.

DESI is een internationale wetenschappelijke samenwerking die wordt beheerd door het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) met primaire financiering voor constructie en operaties van DOE’s Office of Science.

DESI-wetenschappers presenteren deze week de prestaties van het instrument en enkele vroege astrofysische resultaten tijdens een door Berkeley Lab gehost webinar genaamd CosmoPalooza, dat ook updates zal bevatten van andere toonaangevende kosmologische experimenten.

“Er zit veel schoonheid in”, zegt Berkeley Lab-wetenschapper Julien Guy, een van de sprekers. “In de verdeling van de sterrenstelsels op de 3D-kaart zijn er enorme clusters, filamenten en holtes. Het zijn de grootste structuren in het universum. Maar daarin vind je een afdruk van het zeer vroege heelal en de geschiedenis van zijn expansie sindsdien.”

DESI heeft een lange weg afgelegd om dit punt te bereiken. Oorspronkelijk meer dan tien jaar geleden voorgesteld, begon de bouw van het instrument in 2015. Het werd geïnstalleerd bij de Nicholas U. Mayall 4-meter telescoop van Kitt Peak National Observatory in de buurt van Tucson, Arizona. Kitt Peak National Observatory is een programma van het NOIRLab van de National Science Foundation (NSF), waarmee het ministerie van Energie een contract heeft om de Mayall-telescoop te bedienen voor het DESI-onderzoek. Het instrument zag eind 2019 voor het eerst licht. Toen, tijdens de validatiefase, sloeg de pandemie van het coronavirus toe, waardoor de telescoop enkele maanden werd uitgeschakeld, hoewel sommigen op afstand doorwerkten. In december 2020 richtte DESI zijn ogen opnieuw op de lucht om zijn hardware en software te testen, en in mei 2021 was het klaar om zijn wetenschappelijk onderzoek te starten.

Een deel van de 3D-kaart van sterrenstelsels uit de voltooide Sloan Digital Sky Survey.

Een doorsnee door de 3D-kaart van sterrenstelsels van de eerste paar maanden van het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI; rechts). De aarde bevindt zich in het centrum, met de verste sterrenstelsels op meer dan 10 miljard lichtjaar afstand. Elk punt vertegenwoordigt een sterrenstelsel. Dit 2D-plakje van de 3D DESI-kaart toont slechts ongeveer 800.000 van de 7,5 miljoen sterrenstelsels die momenteel zijn onderzocht, wat zelf slechts een fractie is van de 35 miljoen sterrenstelsels die op de uiteindelijke kaart zullen staan. Credit: D. Schlegel/Berkeley Lab met behulp van gegevens van DESI

Maar het werk aan DESI zelf stopte niet toen het onderzoek begon. “Het is constant werk om dit instrument te laten presteren”, zegt natuurkundige Klaus Honscheid van de Ohio State University, mede-instrumentwetenschapper van het project, die het eerste artikel van de CosmoPalooza DESI-sessie zal afleveren. Honscheid en zijn team zorgen ervoor dat het instrument soepel en automatisch loopt, idealiter zonder enige input tijdens een nachtelijke observatie. “De feedback die ik krijg van de nachtwaarnemers is dat de diensten saai zijn, wat ik als een compliment beschouw,” zei hij.

Maar die eentonige productiviteit vereist ongelooflijk gedetailleerde controle over elk van de 5000 geavanceerde robots die optische vezels op het DESI-instrument positioneren, en ervoor zorgen dat hun posities tot op 10 micron nauwkeurig zijn. “Tien micron is klein”, zei Honscheid. “Het is minder dan de dikte van een mensenhaar. En je moet elke robot positioneren om het licht van sterrenstelsels op miljarden lichtjaren afstand te verzamelen. Elke keer als ik aan dit systeem denk, vraag ik me af hoe we dat voor elkaar kunnen krijgen? Het succes van DESI als instrument is iets om heel trots op te zijn.”

De ware kleuren van donkere energie zien

dat niveau van precies is nodig om de primaire taak van het onderzoek te volbrengen: het verzamelen van gedetailleerde kleurenspectrumbeelden van miljoenen sterrenstelsels over meer dan een derde van de hele hemel. Door het licht van elk sterrenstelsel op te splitsen in zijn kleurenspectrum, kan DESI bepalen hoeveel het licht roodverschoven is – uitgerekt naar het rode uiteinde van het spectrum door de uitdijing van het universum gedurende de miljarden jaren die het aflegde voordat het de aarde bereikte . Het zijn die roodverschuivingen die DESI de diepte van de lucht laten zien.

Hoe meer roodverschoven het spectrum van een melkwegstelsel, in het algemeen, hoe verder weg het is. Met een 3D-kaart van de kosmos in de hand kunnen natuurkundigen clusters en superclusters van sterrenstelsels in kaart brengen. Die structuren dragen echo’s van hun oorspronkelijke vorming, toen ze nog slechts rimpelingen in de kinderkosmos waren. Door die echo’s te plagen, kunnen natuurkundigen de gegevens van DESI gebruiken om de expansiegeschiedenis van het universum te bepalen.

Een nieuwe quasar ontdekt met DESI geeft een glimp van het universum zoals het was bijna 13 miljard jaar geleden, minder dan een miljard jaar na de oerknal. Dit is de verste quasar die tot nu toe met DESI is ontdekt, uit een selectie van quasars met een zeer hoge roodverschuiving van DESI. De achtergrond toont deze quasar en zijn omgeving in de DESI Legacy imaging surveys. Krediet: Jinyi Yang, Steward Observatory/Universiteit van Arizona

“Ons wetenschappelijke doel is om de afdruk van golven in de oer- plasmazei kerel. “Het is verbazingwekkend dat we het effect van deze golven miljarden jaren later, en zo snel, in ons onderzoek kunnen detecteren.”

Het begrijpen van de expansiegeschiedenis is cruciaal, met niets minder dan het lot van het hele universum op het spel. Tegenwoordig bestaat ongeveer 70% van de inhoud van het universum uit donkere energie, een mysterieuze vorm van energie die de uitdijing van het universum steeds sneller drijft. Naarmate het universum uitdijt, komt er meer donkere energie tot stand, wat de uitdijing meer versnelt, in een cyclus die de fractie donkere energie in het universum steeds verder omhoog stuwt. Donkere energie zal uiteindelijk het lot van het universum bepalen: zal het voor altijd uitdijen? Zal het binnen een mum van tijd weer op zichzelf instorten? Oerknal omgekeerd? Of zal het zichzelf uit elkaar scheuren? Het beantwoorden van deze vragen betekent meer leren over hoe donkere energie zich in het verleden heeft gedragen – en dat is precies waar DESI voor is ontworpen. En door de expansiegeschiedenis te vergelijken met de groeigeschiedenis, kunnen kosmologen nagaan of de algemene relativiteitstheorie van Einstein geldt voor deze enorme spanwijdten van ruimte en tijd.

Zwarte gaten en heldere sterrenstelsels

Maar om het lot van het universum te begrijpen, moet worden gewacht tot DESI meer van zijn onderzoek heeft voltooid. Ondertussen zorgt DESI al voor doorbraken in ons begrip van het verre verleden, meer dan 10 miljard jaar geleden, toen sterrenstelsels nog jong waren.

“Het is behoorlijk verbazingwekkend”, zegt Ragadeepika Pucha, een afgestudeerde student astronomie aan de Universiteit van Arizona die aan DESI werkt. “DESI zal ons meer vertellen over de fysica van de vorming en evolutie van sterrenstelsels.”

Pucha en haar collega’s gebruiken DESI-gegevens om het gedrag van middelzware zwarte gaten in kleine sterrenstelsels te begrijpen. Men denkt dat enorme zwarte gaten de kernen van bijna elk groot sterrenstelsel bewonen, zoals het onze Melkweg. Maar of kleine sterrenstelsels altijd hun eigen (kleinere) zwarte gaten in hun kern hebben, is nog niet bekend. Zwarte gaten op zichzelf zijn bijna onmogelijk te vinden, maar als ze genoeg materiaal aantrekken, worden ze gemakkelijker te herkennen. Wanneer gas, stof en ander materiaal in de zwart gat op zijn weg naar binnen opwarmt (tot temperaturen die heter zijn dan de kern van een ster), wordt een actieve galactische kern (AGN) gevormd. In grote sterrenstelsels behoren AGN’s tot de helderste objecten in het bekende universum. Maar in kleinere sterrenstelsels kunnen AGN’s veel zwakker zijn en moeilijker te onderscheiden van pasgeboren sterren. De spectra die door DESI zijn gemaakt, kunnen dit probleem helpen oplossen – en het brede bereik aan de hemel zal meer informatie opleveren over de kernen van kleine sterrenstelsels dan ooit tevoren. Die kernen zullen op hun beurt wetenschappers aanwijzingen geven over hoe heldere AGN’s zich in het zeer vroege universum hebben gevormd.

Quasars – een bijzonder heldere variëteit aan sterrenstelsels – behoren tot de helderste en meest verre objecten die we kennen. “Ik zie ze graag als lantaarnpalen, terugkijkend in de tijd in de geschiedenis van het universum”, zegt Victoria Fawcett, een afgestudeerde astronomiestudent aan de Durham University in het VK. Quasars zijn uitstekende sondes van het vroege heelal vanwege hun enorme kracht; De gegevens van DESI gaan 11 miljard jaar terug in de tijd.

Fawcett en haar collega’s gebruiken DESI-gegevens om de evolutie van quasars zelf te begrijpen. Men denkt dat quasars in het begin omgeven zijn door een stofomhulsel, dat het licht dat ze afgeven rood maakt, zoals de zon door een waas. Naarmate ze ouder worden, verdrijven ze dit stof en worden ze blauwer. Maar het was moeilijk om deze theorie te testen, vanwege het gebrek aan gegevens over rode quasars. DESI brengt daar verandering in door meer quasars te vinden dan enig eerder onderzoek, met naar schatting 2,4 miljoen quasars verwacht in de definitieve onderzoeksgegevens.

“DESI is echt geweldig omdat het veel zwakkere en veel rodere objecten oppikt”, zegt Fawcett. Dat, voegt ze eraan toe, stelt wetenschappers in staat om ideeën over quasar-evolutie te testen die voorheen niet konden worden getest. En dit is niet alleen beperkt tot quasars. “We vinden nogal wat exotische systemen, waaronder grote monsters van zeldzame objecten die we gewoon niet eerder in detail hebben kunnen bestuderen,” zei Fawcett.

Er komt nog meer voor DESI. Het onderzoek heeft al meer dan 7,5 miljoen sterrenstelsels gecatalogiseerd en voegt er meer toe met een snelheid van meer dan een miljoen per maand. Alleen al in november 2021 catalogiseerde DESI roodverschuivingen van 2,5 miljoen sterrenstelsels. Tegen het einde van zijn run in 2026 zal DESI naar verwachting meer dan 35 miljoen sterrenstelsels in zijn catalogus hebben, helder een enorme verscheidenheid aan kosmologisch en astrofysisch onderzoek.

“Al deze gegevens zijn er gewoon en wachten erop om geanalyseerd te worden”, zegt Pucha. “En dan zullen we zoveel verbazingwekkende dingen over sterrenstelsels vinden. Voor mij is dat spannend.”

DESI wordt ondersteund door het DOE Office of Science en door het National Energy Research Scientific Computing Center, een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science. Aanvullende steun voor DESI wordt verleend door de Amerikaanse National Science Foundation, de Science and Technologies Facilities Council van het Verenigd Koninkrijk, de Gordon and Betty Moore Foundation, de Heising-Simons Foundation, de French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA), de Nationale Raad voor Wetenschap en Technologie van Mexico, het Ministerie van Economische Zaken van Spanje en door de DESI-lidinstellingen.

De DESI-samenwerking is vereerd om wetenschappelijk onderzoek te mogen doen naar Iolkam Du’ag (Kitt Peak), een berg met bijzondere betekenis voor de Tohono O’odham Nation.