Телескоп в Аризоні проводить наймасштабніші спостереження галактик.

Астрономи починають найамбітніший проект з картографування галактик. Наступні п’ять років вони будуть використовувати телескоп в штаті Аризона, який обладнаний сотнями невеликих роботизованих маніпуляторів. Вчені хочуть виловити спектральне світло 35 мільйонів галактик то відновити 11 мільярдів років історії Всесвіту. Проте головною метою постає глибше вивчення природи темної енергії. Це – загадкова сила, що все більше прискорює розширення Всесвіту.

Перше зображення з Спектроскопічного приладу темної матерії (DESI, Dark Energy Spectroscopic Instrument)планують отримати вже у вересні. Після введення в експлуатацію, він оглядатиме небо північної півкулі, використовуючи 4-х метровий телескоп імені Н. Мейолла, що знаходиться на території Національної обсерваторії Кітт-Пік, недалеко від міста Тусон, Аризона. Початок повноцінної роботи очікується вже в січні 2020. Близько 70% фінансування до бюджету DESI(75 міл  $) надійшло від Міністерства енергетики США, також значні інвестиції надало Сполучене Королівство та Франція.

DESI – перший, новий експеримент з дослідження історії розширення Всесвіту. Перші переконливі докази існування темної енергії були оприлюдненні у 1988 і нарешті у 2020-х ми зможемо отримати новий сет даних від земних та орбітальних апаратів.

Запропоноване дослідження зможе реконструювати 11 мільярдів років космічної історії. Це може дати відповідь на головну загадку темної енергії: це – однорідна сила розподілена в космосі та часі чи сили що виникла вже з розвитком Всесвіту?

Під час спостережень науковці шукатимуть явища, що залишились від молодого Всесвіту, а саме: баріонні акустичні збурення (BAOs, baryon acoustic oscillations). Це – збурення на тлі матерії, які наче кола по воді, залишають сферичні сліди в просторі, в місцях скупчення галактик. Найбільше галактик знаходиться в центрі (суперкластері) та на краях скупчень, а між ним гігантські порожні зони.

Первісний візерунок

Суперкластери формувались в областях де темна матерія концентрується під силою власної гравітації. Вона брали участь у формуванні надвеликих структур.

Первісний візерунок кластеру галактик залишився незмінним протягом мільйона років після Великого вибуху. З тим як розширювався Всесвіт, збільшувалась і BAOs. Зараз вони займають простір у 320 магапарсеків в ширину (1 мільярд світлових років). Космологи використовують цю відстань, як лінійку. Вони відстежують розмір BAOs протягом часу та відновлюють історію того, як розширювався сам Всесвіт.

«Візерунок на мапі майже незмінний, змінюється масштаб», — говорить Даніель Ейзенштайн, фізик Гарвардського університету в Кембриджі та представник команди DESI.

Відстеження BAOs потребує створення мапи з виміром червоного зміщення – розтягування довжини електромагнітної хвилі в спектральному діапазоні. Це зміщення показує наскільки далеко знаходиться галактика та як швидко віддаляється від Чумацького Шляху.

Чим більше вимірів червоного зміщення, тим точніше відслідковується BAOs. Ейзенштайн та інші дослідники вже виявляли конкретні BAOs сигнатури в своїх попередніх спостереженнях, наприклад: Спостереження за баріонними акустичними збуреннями (BOSS), 2014 рік США та Біполярне дослідження Всесвіту в червоному спектрі, яке завершилось у 2002 році, Австралія. Ці спостереження картографували понад 2,4  мільярдів галактик.

DESI відстежить більше галактик ніж будь-коли до цього. «За кілька місяців ми перегнали всі спостереження BOSS», — розповідає Мітчел Леві, директор DESI та фізик Національної лабораторії імені Лоуренса у місті Берклі, штат Каліфорнія.

Роботизований апгрейд

Команда DESI змогла так прискоритись завдяки кардинальній зміні моделі спостереження. Дослідження типу BOSS використовували оптичні волокна, які були розміщені в отворах на металевих пластинах. Ці пристрої захоплювали світло від кожної галактики та передавали його на окремий спектрограф для вимірювання червоного зміщення. Проте ці пластини треба було міняти кожен раз коли проводили спостереження неба. Це була повільна та громістка робота.

В DESI значно прискорений цей процес завдяки 5000 мікроскопічних маніпуляторів, які розміщені на манер сот в вуликах. Коли зображення галактик (кожне приблизно 100 мікрон в ширину) розміщено на фокусній відстані телескопа, роботизований маніпулятор швидко підставляє оптичне волокно в центр кожного зображення. «Ми досягли точності маніпуляторів у 10 міклон», — пояснює Джозеф Зілбер, інженер механік Національної лабораторії імені Лоуренса. Саме він керував розробкою та впровадженням роботизовано системи.

В той час як в експерименті BOSS замінювали зазвичай 5 пластинок за ніч, DESI може проаналізувати цілу область неба за декілька хвилин. Головним обмеженням тут постає кількість світла, яку дослідники хочуть отримати з одної експозиції. В залежності від сезону та погоди DESI може виконувати від 30 і більше експозицій за ніч, кожна з тисячами зображень.

Декілька інших астрономічних досліджень вже використовували роботизоване позиціювання раніше, серед них: Великий багатоцільовий спектроскопічний телескоп, що знаходиться в провінції Хєбєй, Китай. Проте Зілбер впевнений: «DESI – точно найбільший найбільший експеримент такого класу».

На додачу до вивчення темної енергії, DESI досліджуватиме роль темної матерії в розмірі галактик, вимірюючи переміщення їх кластерів. Про це розповідає представник команди DESI Наталі Паланк–Делабруй, космолог Комісії альтернативної та атомної енергії Франції, що знаходить в Дослідницькому центрі Сакле в передмісті Парижу. За її словами: «це – чудова перевірка сучасних моделей того, як темна матерія впливає на формування надвеликих структур». Вона впевнена, що це дослідження надасть альтернативи до існуючої доопрацьованої загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна.

Nature 572, 295-296 (2019)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-019-02424-8

Посилання на оригінальний текст: https://www.nature.com/articles/d41586-019-02424-8