Hoe DESI werk

Die idee in een siklus

Alles wat DESI doen, herhaal een lus:

kies 5 000 sterrestelsels -> vang elkeen se lig afsonderlik op -> breek daardie lig in sy kleure op -> meet die rooiverskuiwing -> plaas die sterrestelsel in 'n 3D-kaart.

Doen dit vir miljoene voorwerpe, oor die hemel en deur die kosmiese tyd, en die kaart wat te voorskyn kom, dra die vingerafdruk van hoe die heelal uitgedy het.

Kies waarna om te kyk

DESI vee nie blindelings oor die hemel nie. Dit begin by wye opnamebeelde wat reeds bestaan en kies die nuttigste teikens volgens helderheid, vorm en kleur. Die belangrikste vangste is:

• helder, relatief nabygeleë sterrestelsels;
• ligsterk rooi sterrestelsels, massief en verder weg;
• emissielynsterrestelsels, waarvan die spektra skerp, maklik herkenbare kenmerke dra;
• kwasars, skitterende bakens wat gebruik word om die verste heelal en die gas tussen ons en hulle te peil.

Kleure gee 'n rowwe skatting van 'n voorwerp se tipe en afstand. DESI doen daarna die presiese meting met sy spektrograwe.

Vyfduisend robotte en vesels

DESI sit op die Nicholas U. Mayall 4-meter-teleskoop by Kitt Peak, in Arizona. 'n Stel groot lense fokus die lig op 'n geboë brandvlak van omtrent 0,8 meter breed, wat 'n stuk hemel van sowat 3 grade wyd dek: 'n enorme veld vir 'n spektrograaf.

Daardie brandvlak is in tien wigvormige seksies verdeel, en elkeen hou 500 klein robotte: 5 000 robotposisioneerders in totaal. Elke robot dra die punt van 'n dun optiese vesel. Voor elke beligting bereken sagteware waar elke teiken op die brandvlak sal val en stuur dit elke vesel na sy teiken: soos om 5 000 mikroskopiese strooitjies gelyktydig oor 5 000 ligpunte te plaas. Naburige vesels moet botsings vermy, dus kan nie elke teiken in 'n digbevolkte stuk hemel in een slag gevang word nie; die hemel word met ander toewysings weer besoek.

Van lig na spektrum

Tydens die beligting vang elke vesel die lig op van die een voorwerp waarop dit gerig is. Die lig beweeg dan langs veselbundels na tien spektrograwe, elk gevoed deur 500 vesels. Elke spektrograaf versprei die lig oor drie golflengtebande, van die naby-ultraviolet tot die naby-infrarooi, rofweg 360 tot 980 nanometer.

Die resultaat is nie 'n foto nie, maar 'n spektrum vir elke voorwerp: 'n kromme van helderheid teenoor golflengte, met pieke en dale waar chemiese elemente, sterre en gas lig uitstraal of absorbeer.

Van spektrum na rooiverskuiwing

Daardie spektraallyne het golflengtes wat in die laboratorium gemeet is. In 'n ver sterrestelsel kom hulle uitgerek aan, na langer golflengtes, omdat die uitdying van die heelal die lig op sy pad na ons uitgerek het. Die hoeveelheid uitrekking is die rooiverskuiwing, z:

z = (waargenome golflengte - uitgestraalde golflengte) / uitgestraalde golflengte.

As 'n lyn wat by 500 nm behoort te lê by 750 nm gesien word, is sy rooiverskuiwing (750 - 500) / 500 = 0,5. 'n Groter kosmologiese rooiverskuiwing beteken gewoonlik ouer lig, van verder af. DESI se pyplyn kalibreer elke spektrum, identifiseer die voorwerp en rapporteer 'n rooiverskuiwing saam met hoe betroubaar daardie meting is.

Van rooiverskuiwings na 'n 3D-kaart

Vir elke sterrestelsel ken DESI twee hoeke aan die hemel en, uit die rooiverskuiwing, rofweg hoe ver dit langs die siglyn lê. Stapel miljoene sulke metings op mekaar en die kosmiese web verskyn: filamente van sterrestelsels, digte trosse, plaatagtige mure en groot, byna leë leemtes.

Hier is 'n subtiliteit. 'n Rooiverskuiwing is nie outomaties 'n presiese afstand nie: om die een in die ander te omskep, moet jy weet hoe die heelal uitgedy het. En daardie uitdyingsgeskiedenis is presies wat DESI probeer meet. Die kaart en die meting is dieselfde probleem, van twee kante af gesien.

Hoe 'n kaart 'n meting van donker energie word

DESI lees donker energie hoofsaaklik af uit twee statistiese kenmerke van die kaart.

Die eerste is die barioniese akoestiese ossillasie, of BAO: 'n standaardliniaal wat in die vroeë heelal gevries is. Voordat daar sterre was, het drukgolwe deur die warm plasma van materie en lig beweeg; toe die heelal afkoel en die golwe tot stilstand kom, het hulle 'n effens voorkeurafstand tussen sterrestelsels agtergelaat, 'n meebewegende skaal van omtrent 490 miljoen ligjare, dit wil sê 'n afstand wat aangegee word met die heelal se uitdying uitgereken, sodat dit oor tydperke heen vergelyk kan word. Omdat daardie ware lengte uit die fisika van die vroeë heelal bekend is, kan DESI meet hoe groot die liniaal by verskillende rooiverskuiwings lyk, oor die hemel en langs die siglyn, en so naspoor hoe vinnig die heelal in elke tydperk uitgedy het. As donker energie oor kosmiese tyd verander het, verskyn dit as 'n verandering in daardie uitdyingsgeskiedenis.

Die tweede is die vervormings in rooiverskuiwingsruimte, of RSD. Sterrestelsels ry nie net saam met die kosmiese uitdying nie; hulle val ook na trosse en filamente toe. Daardie ekstra bewegings verskuif die rooiverskuiwings effens en druk die kosmiese web statisties plat langs die siglyn. Hoe sterk die effek is, vertel hoe vinnig struktuur onder swaartekrag groei, groei wat versnelde uitdying geneig is om te vertraag. Deur die twee metings te vergelyk, kan kosmoloë swaartekrag en modelle van donker energie teen mekaar toets.

Donker energie word dus nooit direk gesien nie. Dit word afgelei uit hoe die uitdyingstempo oor tyd verander, gemeet teen die akoestiese liniaal en die groei van struktuur.

Wat DESI nie doen nie

DESI bespeur nie deeltjies van donker energie nie, fotografeer nie 'n onsigbare substansie nie en meet nie elke sterrestelsel se afstand direk soos met 'n afstandsmeter nie. Wat dit baie goed meet, is spektra, rooiverskuiwings, die statistiese verspreiding van sterrestelsels en hoe daardie verspreiding met die kosmiese tydperk verander. Donker energie is die fisiese verklaring wat op die proef gestel word wanneer daardie metings met kosmologiese modelle vergelyk word: nie iets wat die instrument opneem nie.

In een sin

DESI lees die helder strepieskodes van miljoene sterrestelsels, bou uit hulle rooiverskuiwings 'n driedimensionele kaart van die heelal en soek in die patroon van daardie kaart na spore van hoe die kosmiese uitdying oor tyd verander het.