Як працуе DESI

Ідэя ў адным цыкле

Усё, што робіць DESI, паўтарае адзін цыкл:

выбраць 5000 галактык → сабраць святло кожнай асобна → раскласці гэтае святло на колеры → вымераць чырвонае зрушэнне → змясціць галактыку ў трохмерную карту.

Зрабіце гэта для мільёнаў аб’ектаў па ўсім небе і па ўсёй касмічнай гісторыі — і карта, што паўстае, нясе адбітак таго, як пашыраўся Сусвет.

Што выбраць для назірання

DESI не прочэсвае неба ўсляпую. Ён адштурхоўваецца ад ужо наяўных шырокіх аглядных здымкаў і адбірае самыя карысныя мэты паводле іх яркасці, формы і колеру. Асноўныя мэты назіранняў:

• яркія, параўнальна блізкія галактыкі;
• яркія чырвоныя галактыкі — масіўныя і больш далёкія;
• галактыкі з эмісійнымі лініямі, у спектрах якіх ёсць выразныя, лёгка пазнавальныя асаблівасці;
• квазары — яркія маякі, якімі зандзіруюць найдалейшы Сусвет і газ, што ляжыць паміж намі і імі.

Колеры даюць грубую здагадку пра тып і адлегласць аб’екта. Дакладнае ж вымярэнне DESI робіць сваімі спектрографамі.

Пяць тысяч робатаў і валокнаў

DESI устаноўлены на 4-метровым тэлескопе імя Ніколаса У. Мэйала на Кіт-Пік, у Арызоне. Набор вялікіх лінзаў факусуе святло на выгнутай факальнай плоскасці каля 0,8 метра ў папярочніку, якая ахоплівае ўчастак неба шырынёй прыблізна 3 градусы — велізарнае поле для спектрографа.

Гэтая факальная плоскасць падзелена на дзесяць клінападобных секцый, і ў кожнай — 500 крыхітных робатаў: усяго 5000 робатызаваных пазіцыянераў. Кожны робат нясе кончык тонкага аптычнага валакна. Перад кожнай экспазіцыяй праграма вылічвае, куды на факальнай плоскасці трапіць кожная мэта, і падводзіць кожнае валакно да яго мэты — быццам разам ставіць 5000 мікраскапічных трубачак над 5000 кропак святла. Суседнія валокны мусяць пазбягаць сутыкненняў, таму ў густым участку не кожную мэту ўдаецца злавіць за адзін раз; неба наведваюць зноў з іншымі прызначэннямі.

Ад святла да спектра

Падчас экспазіцыі кожнае валакно збірае святло таго адзінага аб’екта, на які было наведзена. Потым святло ідзе жгутамі валокнаў да дзесяці спектрографаў, кожны з якіх сілкуецца 500 валокнамі. Кожны спектрограф раскладае святло па трох дыяпазонах даўжынь хваль — ад блізкага ультрафіялету да блізкага інфрачырвонага, прыблізна ад 360 да 980 нанометраў.

Вынік — не фатаграфія, а спектр для кожнага аб’екта: крывая яркасці ў залежнасці ад даўжыні хвалі, з пікамі і праваламі там, дзе хімічныя элементы, зоркі і газ выпраменьваюць або паглынаюць святло.

Ад спектра да чырвонага зрушэння

У гэтых спектральных ліній ёсць даўжыні хваль, вымераныя ў лабараторыі. Ад далёкай галактыкі яны прыходзяць расцягнутымі да даўжэйшых хваль, бо пашырэнне Сусвету расцягнула святло дарогай да нас. Велічыня расцягу — гэта чырвонае зрушэнне, z:

z = (назіраная даўжыня хвалі − выпрамененая даўжыня хвалі) / выпрамененая даўжыня хвалі.

Калі лінія, якая мусіць быць на 500 нм, відаць на 750 нм, яе чырвонае зрушэнне роўна (750 − 500) / 500 = 0,5. Большае касмалагічнае чырвонае зрушэнне звычайна азначае старэйшае святло, што прыйшло здалёку. Канвеер апрацоўкі DESI калібруе кожны спектр, распазнае аб’ект і паведамляе чырвонае зрушэнне разам з тым, наколькі яно надзейнае.

Ад чырвоных зрушэнняў да трохмернай карты

Для кожнай галактыкі DESI ведае два вуглы на небе і, з чырвонага зрушэння, прыблізна як далёка ўздоўж прамяня зроку яна ляжыць. Складзіце мільёны такіх разам — і праступае касмічная павуціна: філаменты галактык, шчыльныя скопішчы, сцінападобныя пласты і велізарныя амаль пустыя войды.

Тут ёсць тонкасць. Чырвонае зрушэнне — не аўтаматычна дакладная адлегласць: каб ператварыць адно ў другое, трэба ведаць, як пашыраўся Сусвет. А гэтая гісторыя пашырэння — роўна тое, што DESI і спрабуе вымераць. Карта і вымярэнне — адна і тая ж задача, бачаная з двух бакоў.

Як карта становіцца вымярэннем цёмнай энергіі

DESI счытвае цёмную энергію галоўным чынам з двух статыстычных асаблівасцяў карты.

Першая — барыённая акустычная асцыляцыя, або BAO: стандартная лінейка, умарожаная ў ранні Сусвет. Перш чым з’явіліся зоркі, па гарачай плазме матэрыі і святла беглі хвалі ціску; калі Сусвет астыў і хвалі спыніліся, яны пакінулі крыху пераважную адлегласць паміж галактыкамі — спадарожны маштаб каля 490 мільёнаў светлавых гадоў, адлегласць, прыведзеную за вылікам пашырэння Сусвету, каб яе можна было параўноўваць паміж эпохамі. Паколькі гэтая сапраўдная даўжыня вядома з фізікі ранняга Сусвету, DESI можа вымераць, наколькі вялікай лінейка здаецца на розных чырвоных зрушэннях — па небе і ўздоўж прамяня зроку — і пабудаваць, як хутка Сусвет пашыраўся ў кожную эпоху. Калі цёмная энергія мянялася за касмічны час, гэта праяўляецца як змена ў гэтай гісторыі пашырэння.

Другая — скажэнні ў прасторы чырвоных зрушэнняў, або RSD. Галактыкі не толькі нясуцца разам з касмічным пашырэннем; яны яшчэ і падаюць да скопішчаў і філаментаў. Гэтыя дадатковыя рухі крыху зрушваюць чырвоныя зрушэнні і статыстычна сплюшчваюць касмічную павуціну ўздоўж прамяня зроку. Наколькі моцны гэты эфект — кажа, як хутка структура расце пад дзеяннем гравітацыі, якую паскоранае пашырэнне схільна запавольваць. Параўнанне гэтых дзвюх рэчаў дазваляе касмолагам правяраць мадэлі гравітацыі і цёмнай энергіі адна супраць адной.

Такім чынам, цёмную энергію ніколі не бачаць напрамую. Яе выводзяць з таго, як тэмп пашырэння мяняецца з часам, вымяраючы гэта па акустычнай лінейцы і росце структуры.

Чаго DESI не робіць

DESI не выяўляе часціцы цёмнай энергіі, не фатаграфуе нябачную субстанцыю і не вымярае адлегласць да кожнай галактыкі напрамую, як далямер. Ён вельмі добра вымярае спектры, чырвоныя зрушэнні, статыстычнае размеркаванне галактык і тое, як гэтае размеркаванне мяняецца з касмічнай эпохай. Цёмная энергія — гэта фізічнае тлумачэнне, якое ставяць пад сумнеў, калі гэтыя вымярэнні параўноўваюць з касмалагічнымі мадэлямі, а не тое, што запісвае прыбор.

У адной фразе

DESI счытвае яркія штрых-коды мільёнаў галактык, будуе трохмерную карту Сусвету паводле іх чырвоных зрушэнняў і шукае ва ўзоры гэтай карты сляды таго, як касмічнае пашырэнне мянялася з часам.