Hoe DESI werkt

Het idee in één cyclus

Alles wat DESI doet, herhaalt één lus:

kies 5.000 sterrenstelsels -> vang het licht van elk afzonderlijk op -> splits dat licht in zijn kleuren -> meet de roodverschuiving -> plaats het sterrenstelsel in een 3D-kaart.

Doe dat voor miljoenen objecten, over de hemel en door de kosmische tijd heen, en de kaart die tevoorschijn komt, draagt de vingerafdruk van hoe het heelal is uitgedijd.

Kiezen waarnaar je kijkt

DESI veegt de hemel niet blindelings af. Het vertrekt van brede surveybeelden die al bestaan en selecteert de nuttigste doelen op basis van helderheid, vorm en kleur. De belangrijkste vangsten zijn:

• heldere, relatief nabije sterrenstelsels;
• lichtsterke rode sterrenstelsels, massief en verder weg;
• emissielijnstelsels, waarvan de spectra scherpe, makkelijk herkenbare kenmerken dragen;
• quasars, schitterende bakens waarmee het verste heelal en het gas tussen ons en hen wordt gepeild.

Kleuren geven een ruwe schatting van het type en de afstand van een object. DESI doet daarna de precieze meting met zijn spectrografen.

Vijfduizend robots en glasvezels

DESI staat op de Nicholas U. Mayall 4-metertelescoop op Kitt Peak, in Arizona. Een stel grote lenzen bundelt het licht op een gekromd brandvlak van ongeveer 0,8 meter breed, dat een stuk hemel van zo’n 3 graden breed bestrijkt: een enorm veld voor een spectrograaf.

Dat brandvlak is verdeeld in tien wigvormige secties, en elk bevat 500 kleine robots: 5.000 robotpositioneerders in totaal. Elke robot draagt de punt van een dunne glasvezel. Vóór elke belichting berekent software waar elk doel op het brandvlak zal vallen en stuurt ze elke vezel naar haar doel: alsof je 5.000 microscopische rietjes tegelijk boven 5.000 lichtpuntjes plaatst. Naburige vezels moeten botsingen vermijden, dus niet elk doel in een druk stukje hemel kan in één keer worden gevangen; de hemel wordt opnieuw bezocht met andere toewijzingen.

Van licht naar spectrum

Tijdens de belichting vangt elke vezel het licht op van het ene object waarop ze gericht is. Het licht reist daarna door vezelbundels naar tien spectrografen, elk gevoed door 500 vezels. Elke spectrograaf spreidt het licht uit over drie golflengtebanden, van het nabije ultraviolet tot het nabije infrarood, ruwweg 360 tot 980 nanometer.

Het resultaat is geen foto, maar een spectrum voor elk object: een curve van helderheid tegen golflengte, met pieken en dalen waar chemische elementen, sterren en gas licht uitzenden of absorberen.

Van spectrum naar roodverschuiving

Die spectraallijnen hebben golflengten die in het laboratorium zijn gemeten. In een ver sterrenstelsel komen ze uitgerekt aan, naar langere golflengten, omdat de uitdijing van het heelal het licht onderweg naar ons heeft uitgerekt. De mate van uitrekking is de roodverschuiving, z:

z = (waargenomen golflengte - uitgezonden golflengte) / uitgezonden golflengte.

Als een lijn die bij 500 nm zou moeten liggen bij 750 nm wordt gezien, is haar roodverschuiving (750 - 500) / 500 = 0,5. Een grotere kosmologische roodverschuiving betekent doorgaans ouder licht, van verder weg. De pijplijn van DESI kalibreert elk spectrum, identificeert het object en rapporteert een roodverschuiving samen met hoe betrouwbaar die meting is.

Van roodverschuivingen naar een 3D-kaart

Van elk sterrenstelsel kent DESI twee hoeken aan de hemel en, uit de roodverschuiving, ruwweg hoe ver het langs de gezichtslijn ligt. Stapel miljoenen van zulke metingen op elkaar en het kosmische web verschijnt: filamenten van sterrenstelsels, dichte clusters, vlakke wanden en grote, vrijwel lege leegten.

Hier zit een subtiliteit. Een roodverschuiving is niet automatisch een exacte afstand: om de ene in de andere om te zetten, moet je weten hoe het heelal is uitgedijd. En die uitdijingsgeschiedenis is precies wat DESI probeert te meten. De kaart en de meting zijn hetzelfde probleem, van twee kanten bekeken.

Hoe een kaart een meting van donkere energie wordt

DESI leest donkere energie vooral af uit twee statistische kenmerken van de kaart.

Het eerste is de baryonische akoestische oscillatie, of BAO: een standaardliniaal, bevroren in het vroege heelal. Voordat er sterren waren, liepen drukgolven door het hete plasma van materie en licht; toen het heelal afkoelde en de golven stilvielen, lieten ze een licht bevoorrechte afstand tussen sterrenstelsels achter, een meebewegende schaal van ongeveer 490 miljoen lichtjaar, dat wil zeggen een afstand waaruit de uitdijing van het heelal is weggerekend, zodat ze tussen tijdperken vergeleken kan worden. Omdat die ware lengte bekend is uit de fysica van het vroege heelal, kan DESI meten hoe groot de liniaal bij verschillende roodverschuivingen lijkt, over de hemel en langs de gezichtslijn, en zo in kaart brengen hoe snel het heelal in elk tijdperk uitdijde. Als donkere energie in de loop van de kosmische tijd is veranderd, verschijnt dat als een verandering in die uitdijingsgeschiedenis.

Het tweede zijn de vervormingen in de roodverschuivingsruimte, of RSD. Sterrenstelsels liften niet alleen mee met de kosmische uitdijing; ze vallen ook naar clusters en filamenten toe. Die extra bewegingen verschuiven de roodverschuivingen een beetje en drukken het kosmische web statistisch samen langs de gezichtslijn. Hoe sterk het effect is, vertelt hoe snel structuur groeit onder de zwaartekracht, groei die de versnelde uitdijing juist afremt. Door de twee metingen te vergelijken kunnen kosmologen zwaartekracht en modellen van donkere energie tegen elkaar toetsen.

Donkere energie wordt dus nooit rechtstreeks gezien. Ze wordt afgeleid uit hoe de uitdijingssnelheid in de loop van de tijd verandert, gemeten tegen de akoestische liniaal en de groei van structuur.

Wat DESI niet doet

DESI detecteert geen deeltjes donkere energie, fotografeert geen onzichtbare substantie en meet de afstand van elk sterrenstelsel niet rechtstreeks als met een afstandsmeter. Wat het heel goed meet, zijn spectra, roodverschuivingen, de statistische verdeling van sterrenstelsels en de manier waarop die verdeling verandert met het kosmische tijdperk. Donkere energie is de fysische verklaring die op de proef wordt gesteld wanneer die metingen met kosmologische modellen worden vergeleken: niet iets wat het instrument registreert.

In één zin

DESI leest de lichtende streepjescodes van miljoenen sterrenstelsels, bouwt uit hun roodverschuivingen een driedimensionale kaart van het heelal en zoekt in het patroon van die kaart naar sporen van hoe de kosmische uitdijing in de loop van de tijd is veranderd.