DESI cria o maior mapa 3D do universo

Tomografia computadorizada 3D do universo do DESI. A Terra está no canto inferior esquerdo, olhando a mais de 5 bilhões de anos-luz de distância na direção da constelação de Virgem. À medida que o vídeo avança, a perspectiva muda para a constelação de Bootes. Cada ponto colorido representa uma galáxia composta por centenas de bilhões de estrelas. A gravidade atraiu galáxias para uma “teia cósmica” de aglomerados densos, filamentos e vazios. Crédito: D. Schlegel/Berkeley Lab usando dados do DESI

instrumento de espectroscopia de energia escuraDESI) encerrou os primeiros sete meses de sua pesquisa, quebrando todos os registros anteriores de pesquisas de galáxias em 3D, criando o maior e mais detalhado mapa do universo já feito. No entanto, ele se aproxima apenas de 10% do caminho durante sua missão de cinco anos. Uma vez concluído, este mapa 3D altamente detalhado produzirá uma melhor compreensão da energia escura, dando aos físicos e astrônomos uma melhor compreensão do passado e do futuro do universo. Enquanto isso, o incrível desempenho técnico e as conquistas cósmicas da pesquisa até agora estão ajudando os cientistas a revelar os segredos das fontes de luz mais poderosas do universo.

O DESI é uma colaboração científica internacional gerenciada pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Laboratório Berkeley) com financiamento inicial para construção e operações do Escritório de Ciências do Departamento de Energia.

Os cientistas do DESI apresentam o desempenho do instrumento e alguns resultados iniciais da astrofísica, esta semana em um webinar organizado pelo Berkeley Lab chamado CosmoPalooza, que também apresentará atualizações de outros experimentos cósmicos inovadores.

“Há muita beleza nisso”, disse Julian Gay, cientista do Berkeley Lab, um dos palestrantes. “Na distribuição de galáxias no mapa 3D, existem aglomerados massivos, filamentos e vazios. Eles são as maiores estruturas do universo. Mas dentro deles, você encontra uma marca do universo primitivo e a história de sua expansão. desde então.”

O DESI percorreu um longo caminho para chegar a este ponto. Foi originalmente proposto há mais de uma década e a construção do dispositivo começou em 2015. Ele está instalado no telescópio Nicholas U Maywell de 4 metros no Kate Summit Observatory perto de Tucson, Arizona. O Observatório Nacional Kitt Peak é um programa da National Science Foundation (NSF) NOIRLab, que o Departamento de Energia contrata para operar o Telescópio Mayall para o levantamento do DESI. O instrumento viu sua primeira luz no final de 2019. Então, durante sua fase de validação, a pandemia de coronavírus atingiu e o telescópio foi desligado por vários meses, embora alguns trabalhos remotos continuassem. Em dezembro de 2020, o DESI voltou sua atenção para o céu novamente, testou seu hardware e software e, em maio de 2021, estava pronto para iniciar sua pesquisa científica.

Deslize pelo mapa 3D de galáxias do Sloan Digital Sky Survey concluído.

Uma fatia do mapa 3D de galáxias dos primeiros meses da Espectroscopia de Energia Escura (DESI; à direita). A Terra está localizada no centro, e as galáxias mais distantes estão a mais de 10 bilhões de anos-luz de distância dela. Cada ponto representa uma galáxia. Esta fatia 2D do mapa 3D DESI mostra apenas cerca de 800.000 das 7,5 milhões de galáxias atualmente escaneadas, o que por si só é apenas uma fração das 35 milhões de galáxias que estarão no mapa final. Crédito: D. Schlegel/Berkeley Lab usando dados do DESI

Mas o trabalho no próprio DESI não foi concluído quando a pesquisa começou. “É um trabalho em andamento para que essa ferramenta funcione”, disse o físico da Universidade Estadual de Ohio Klaus Hünscheid, um cientista de máquinas envolvido no projeto, que apresentará o primeiro artigo da sessão CosmoPalooza DESI. Honscheid e sua equipe garantem que a ferramenta funcione de forma suave e automática, idealmente sem qualquer interferência durante o monitoramento noturno. “O feedback que recebo dos observadores noturnos é que os turnos são chatos, e considero isso um elogio”, disse ele.

Mas esse rendimento monótono requer um controle incrivelmente detalhado de cada um dos 5.000 robôs sofisticados que colocam as fibras ópticas no instrumento DESI, garantindo que suas posições sejam precisas dentro de 10 mícrons. “Dez mícrons é muito pequeno”, disse Honshed. “É menos do que a espessura de um cabelo humano. E você tem que colocar cada robô para coletar luz de galáxias que estão a bilhões de anos-luz de distância. Toda vez que penso neste sistema, me pergunto como podemos alcançá-lo? O sucesso do DESI como ferramenta é algo para se orgulhar.”

Vendo as verdadeiras cores da energia escura

Este nível de saúde Ele é necessário para cumprir a missão principal da pesquisa: coletar imagens detalhadas do espectro de cores de milhões de galáxias em mais de um terço de todo o céu. Ao dividir a luz de cada galáxia em seu espectro de cores, o DESI pode quantificar o desvio para o vermelho da luz – esticada em direção à extremidade vermelha do espectro pela expansão do universo ao longo dos bilhões de anos que viajou antes de chegar à Terra. São esses desvios para o vermelho que fazem o DESI ver a profundidade do céu.

Quanto maior o desvio para o vermelho do espectro da galáxia em geral, mais distante está dela. Com um mapa 3D do universo em mãos, os físicos podem mapear aglomerados e superaglomerados de galáxias. Essas estruturas carregam ecos de sua formação inicial, quando eram apenas ondulações no universo infantil. Ao acionar esses ecos, os físicos podem usar os dados do DESI para determinar o histórico de expansão do universo.

O novo quasar descoberto com o DESI dá um vislumbre do universo como era há quase 13 bilhões de anos, menos de um bilhão de anos após o Big Bang. Este é o quasar DESI mais distante detectado até agora, a partir de uma seleção de quasares DESI com redshift extremamente alto. O plano de fundo mostra este quasar e seus arredores nas Pesquisas de Fotogrametria Legada do DESI. Crédito: Jenny Yang, Steward Observatory/Universidade do Arizona

Nosso objetivo científico é medir a impressão digital das ondas no plasmaCara disse. “É incrível que possamos realmente detectar o efeito dessas ondas depois de bilhões de anos e tão rapidamente em nossa pesquisa”.

Compreender a história da expansão é crucial, pois nada menos que o destino de todo o universo está em jogo. Hoje, cerca de 70% do conteúdo do universo é energia escura, uma forma misteriosa de energia que está acelerando a expansão do universo. À medida que o universo se expande, mais energia escura aparece, acelerando ainda mais a expansão, em um ciclo que impulsiona uma parte da energia escura no universo para cima. A energia escura acabará por determinar o destino do universo: ela se expandirá para sempre? Será que ele entrará em colapso sobre si mesmo novamente, em a grande explosão para trás? Ou ela vai se rasgar? Responder a essas perguntas significa aprender mais sobre como a energia escura se comportou no passado – e é exatamente para isso que o DESI foi projetado. E comparando a história da expansão com a história do crescimento, os cosmólogos podem verificar se a teoria da relatividade geral de Einstein se sustenta nessas enormes extensões de espaço e tempo.

Buracos negros e galáxias brilhantes

Mas entender o destino do universo deve esperar até que o DESI complete mais de sua pesquisa. Enquanto isso, o DESI já está promovendo avanços em nossa compreensão do passado distante, há mais de 10 bilhões de anos, quando as galáxias ainda eram jovens.

“É realmente incrível”, disse Ragadeepika Pucha, estudante de pós-graduação em astronomia da Universidade do Arizona que trabalha no DESI. “DESI vai nos contar mais sobre a física da formação e evolução das galáxias.”

Pucha e seus colegas usam dados do DESI para entender o comportamento de buracos negros de massa média em pequenas galáxias. Acredita-se que os buracos negros supermassivos habitam o coração de quase todas as grandes galáxias, como a nossa via Láctea. Mas se as pequenas galáxias sempre têm seus próprios buracos negros (menores) em seus núcleos. Buracos negros seriam quase impossíveis de encontrar por conta própria – mas se eles atraírem material suficiente, eles se tornarão mais fáceis de detectar. Quando gás, poeira e outros materiais caem em Buraco negro À medida que aquece (até temperaturas acima do núcleo da estrela) em seu caminho para o interior, forma-se um núcleo galáctico ativo (AGN). Em grandes galáxias, núcleos galácticos ativos estão entre os objetos mais brilhantes do universo conhecido. Mas em galáxias menores, os AGNs podem ser muito mais fracos e difíceis de distinguir de estrelas recém-nascidas. Os espectros capturados pelo DESI podem ajudar a resolver esse problema – e até que ponto eles se espalham pelo céu fornecerão mais informações sobre os núcleos de galáxias jovens do que nunca. Esses núcleos, por sua vez, darão aos cientistas pistas sobre como os AGNs se formaram no início do universo.

Quasares – um grupo diversificado de galáxias brilhantes – estão entre os objetos mais brilhantes e distantes. “Gosto de pensar neles como postes de luz, olhando para a história do universo”, disse Victoria Fawcett, estudante de pós-graduação em astronomia na Universidade de Durham, no Reino Unido. Quasares são excelentes sondas do universo primitivo por causa de seu poder absoluto. Os dados do DESI voltarão no tempo 11 bilhões de anos.

Fawcett e seus colegas usam dados do DESI para entender a evolução dos próprios quasares. Acredita-se que os quasares comecem cercados por um envelope de poeira, que avermelha a luz que emitem, como o sol através da neblina. À medida que envelhecem, eles expelem essa poeira e ficam mais azuis. Mas esta teoria tem sido difícil de testar, devido à escassez de dados sobre quasares vermelhos. O DESI muda isso, à medida que mais quasares foram encontrados do que qualquer pesquisa anterior, com 2,4 milhões de quasares esperados nos dados finais da pesquisa.

“DESI é realmente ótimo porque capta coisas que são mais fracas e mais vermelhas”, disse Fawcett. Ela acrescenta que isso permite que os cientistas testem ideias sobre a evolução dos quasares que não puderam ser testadas antes. E isso não se limita apenas aos quasares. “Encontramos um número muito grande de sistemas exóticos, incluindo grandes amostras de coisas raras que não pudemos estudar em detalhes antes”, disse Fawcett.

Há mais por vir DESI. A pesquisa já catalogou mais de 7,5 milhões de galáxias e está adicionando mais a uma taxa de mais de um milhão de galáxias por mês. Somente em novembro de 2021, o DESI catalogou os desvios para o vermelho de 2,5 milhões de galáxias. Até o final de sua operação em 2026, espera-se que o DESI tenha mais de 35 milhões de galáxias em seu catálogo, permitindo uma vasta gama de pesquisas em cosmologia e astrofísica.

“Todos esses dados estão lá e estão apenas esperando para serem analisados”, disse Bucha. “E então vamos encontrar muitas coisas incríveis sobre galáxias. Para mim, isso é emocionante.”

O DESI é apoiado pelo Escritório de Ciências do Departamento de Energia e pelo Centro Nacional de Computação Científica para Pesquisa Energética, uma instalação de usuários do Escritório de Ciências do Departamento de Energia. O apoio adicional para o DESI é fornecido pela US National Science Foundation, o UK Science and Technology Facilities Council, a Gordon and Betty Moore Foundation, a Heising-Simons Foundation, a Comissão Francesa para Energia Alternativa e Atômica (CEA), a National Science and Conselho Tecnológico do México, Ministério da Economia Espanhola, instituições membros do DESI.

A Colaboração DESI tem a honra de permitir que ele conduza pesquisas científicas no Monte Iolkam Du’ag (Kitt Peak), uma montanha de particular interesse para a nação de Tohono O’odham.