25 мая 2021

Инструмент DESI начинает картирование Вселенной в поисках темной энергии

В американской Национальной обсерватории Китт-Пик завершились четырехмесячные испытания прибора для спектроскопии темной энергии (DESI). Теперь он готов приступить к той самой миссии, для которой он был задуман: захватить свет от десятков миллионов галактик и других космических объектов и нанести на карту Вселенную в поисках темной энергии.

Часто для изучения огромного количества небесных тел, кружащихся в космосе, мы используем сведения, предоставляемые их электромагнитными спектрами. Состоящие из ряда линий, расположенных рядом друг с другом, спектры раскрывают такую информацию, как химический состав наблюдаемых объектов, их расстояния и относительные скорости. Эти данные имеют решающее значение для исследователей в поиске и понимании загадочной темной энергии. Составная часть космоса, присутствующая в наиболее признанных на сегодняшний день теоретических моделях, которая приводит к ускорению расширения Вселенной на огромные космические расстояния.

Прибор для спектроскопии темной энергии (DESI), который прошел четыре месяца испытаний, был разработан именно для этой задачи. Он был рожден в результате международного научного сотрудничества, которым руководит лаборатория Беркли Министерства энергетики США.

DESI находится в 4-метровом телескопе Николаса У. Мэйолла в Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне, и теперь может начать свою работу.

DESI сможет собирать свет примерно от 30 миллионов галактик, предоставляя наборы данных, которые будут использоваться всем научным сообществом для исследований в области астрофизики. Кроме того, это позволит построить трехмерную карту Вселенной с беспрецедентной детализацией. Свет, собранный из небольшой области в галактике Треугольник (внизу) с помощью одного оптоволоконного кабеля DESI (красная точка), разделяется на спектр, который показывает отпечатки элементов в галактике и помогает измерить расстояние от галактики.

Установка DESI на телескопе Николаса У. Мэйолл делает их вместе лучшей астрономической обзорной машиной на планете. Вид в фокальной плоскости DESI, который имеет 5000 автоматических роботизированных позиционеров, каждый из которых имеет оптоволоконный кабель для сбора света галактики. В фокальной плоскости DESI установлено 5000 роботизированных позиционеров, которые вращаются для индивидуальной фокусировки на галактиках. У каждого из этих маленьких роботов есть оптоволоконный кабель, который собирает свет размером примерно с человеческий волос и, таким образом, действует как глаза DESI. Позиционерам требуется около 10 секунд, чтобы повернуться к новой последовательности целевых галактик. Благодаря беспрецедентной скорости обнаружения DESI отобразит как минимум в 10 раз больше объектов, чем любой предыдущий эксперимент.

В фокальной плоскости установлена корректирующая оптика, обеспечивающая поле зрения в 3 градуса. Волоконная оптика, установленная на позиционерах, протягивается на 50 метров вдоль телескопа для питания 10 широкополосных спектрографов, каждый из которых содержит три детектора. В идеальных условиях DESI может наблюдать новую выборку из 5000 галактик каждые 20 минут!

"Эксперимент DESI - отличный пример выдающихся достижений науки, которых можно достичь, когда правительственные агентства работают вместе, чтобы максимально использовать возможности национальных обсерваторий, таких как телескоп Мейолла", — сказал Крис Дэвис, директор программы NSF NOIRLab.

За четыре месяца испытаний специальная аппаратура DESI зафиксировала четыре миллиона тестовых спектров, что больше, чем совокупный выходной сигнал всех предыдущих спектроскопических зондов. О настоящих инновациях этого нового спектрографа по сравнению с его предшественниками говорит Майкл Леви из лаборатории Беркли, директор проекта:

Мы измерим в десять раз больше галактических спектров, чем когда-либо получали, и эти спектры дадут нам третье измерение. Вместо двухмерных изображений галактик, квазаров и других далеких объектов, прибор собирает свет из космоса таким образом, что становится настоящей трехмерной машиной времени, которая простирается на 11 миллиардов лет назад. DESI включает в себя новую оптику, которая увеличивает поле зрения телескопа, а 5 000 роботизированных глаз будут незаменимы во время наблюдений. "Мы не используем самые большие телескопы", — говорит Дэвид Шлегель, научный сотрудник проекта DESI.

"Просто инструменты лучше и обладают высокой степенью мультиплексирования, что означает, что мы можем улавливать свет от множества разных объектов одновременно". Улавливание света для карты Вселенной... Ночью, когда телескоп перемещается в заданное положение, оптические волокна DESI выравниваются для сбора света от галактик, отраженного зеркалом телескопа. Оттуда свет поступает в блок детекторов и CCD-камеры для дальнейшей обработки и изучения. Такой результат дает огромное количество данных, которые будут иметь огромное значение для ученых. Уже только те тестовые испытания, проведенные в последние месяцы, позволили сделать интересные открытия, такие как идентификация 120 новых гравитационных линз. Но теперь, когда он заработает на полную мощность, настоящая роль DESI изменилась: прощупывать темноту космоса, чтобы раскрыть его самые темные секреты.

Научная программа DESI позволит исследователям ответить на два вопроса: что такое темная энергия и в какой степени гравитация подчиняется законам общей теории относительности, которые составляют основу нашего понимания космоса. По мере расширения Вселенной галактики удаляются, и их свет смещается в сторону более длинных и красных волн. Чем более удалена галактика, тем больше красное смещение. Измерив этот сдвиг на спектрах, полученных с помощью DESI, исследователи создадут трехмерную карту Вселенной. Команда DESI прогнозирует, что детальное распределение галактик на карте позволит получить новые сведения о влиянии и природе темной энергии. "Темная энергия является одним из ключевых научных факторов для DESI", — говорит сопредседатель проекта Кайл Доусон, профессор Университета Юты. "Цель состоит не столько в том, чтобы выяснить, сколько ее - мы знаем, что около 70 процентов энергии во Вселенной сегодня - это темная энергия", — сколько в том, чтобы изучить ее свойства".

Мы знаем, что Вселенная расширяется со скоростью, определяемой ее полным энергосодержанием. Когда DESI смотрит в пространство и время, мы можем делать фотографии, относящиеся к сегодняшнему дню, вчерашнему дню, 2 миллиарда лет назад и так далеко назад, насколько это возможно. Как только мы поймем содержание энергии на этих снимках, можно будет увидеть, как развивается наша Вселенная. И что из этого следует.