Cum funcționează DESI

Ideea intr-un ciclu

Tot ce face DESI repeta o bucla:

alege 5.000 de galaxii -> colecteaza separat lumina fiecareia -> desparte acea lumina in culori -> masoara redshiftul -> aseaza galaxia intr-o harta 3D.

Fa asta pentru milioane de obiecte, pe cer si de-a lungul timpului cosmic, iar harta care apare poarta amprenta felului in care s-a extins universul.

Alegerea tintelor

DESI nu matura cerul orbeste. Porneste de la imagini largi de survey care exista deja si selecteaza tintele cele mai utile dupa luminozitate, forma si culoare. Principalele capturi sunt:

• galaxii luminoase, relativ apropiate;
• galaxii rosii luminoase, masive si mai indepartate;
• galaxii cu linii de emisie, ale caror spectre poarta trasaturi clare, usor de recunoscut;
• quasari, faruri stralucitoare folosite pentru a sonda universul cel mai indepartat si gazul dintre noi si ele.

Culorile dau o estimare grosiera a tipului si distantei unui obiect. DESI face apoi masuratoarea precisa cu spectrografele lui.

Cinci mii de roboti si fibre

DESI sta pe Telescopul Nicholas U. Mayall de 4 metri de la Kitt Peak, in Arizona. Un set de lentile mari focalizeaza lumina pe un plan focal curbat, lat de aproximativ 0,8 metri, care acopera o bucata de cer de aproape 3 grade: un camp enorm pentru un spectrograf.

Acel plan focal este impartit in zece sectiuni in forma de pana, iar fiecare tine 500 de roboti mici: 5.000 de pozitionatoare robotice in total. Fiecare robot poarta varful unei fibre optice subtiri. Inainte de fiecare expunere, software-ul calculeaza unde va cadea fiecare tinta pe planul focal si duce fiecare fibra la tinta ei: ca si cum ai pune 5.000 de paie microscopice peste 5.000 de puncte de lumina in acelasi timp. Fibrele vecine trebuie sa evite coliziunile, asa ca nu orice tinta dintr-o zona aglomerata poate fi prinsa dintr-o singura trecere; cerul este revizitat cu alocari diferite.

De la lumina la spectru

In timpul expunerii, fiecare fibra colecteaza lumina obiectului spre care a fost indreptata. Lumina merge apoi prin manunchiuri de fibre catre zece spectrografe, fiecare alimentat de 500 de fibre. Fiecare spectrograf imprastie lumina in trei benzi de lungime de unda, de la ultravioletul apropiat la infrarosul apropiat, aproximativ 360-980 nanometri.

Rezultatul nu este o fotografie, ci un spectru pentru fiecare obiect: o curba a luminozitatii in functie de lungimea de unda, cu varfuri si scaderi acolo unde elemente chimice, stele si gaz emit sau absorb lumina.

De la spectru la redshift

Acele linii spectrale au lungimi de unda masurate in laborator. Intr-o galaxie indepartata ajung intinse catre lungimi de unda mai mari, pentru ca expansiunea universului a intins lumina in drumul ei spre noi. Cantitatea de intindere este redshiftul, z:

z = (lungimea de unda observata - lungimea de unda emisa) / lungimea de unda emisa.

Daca o linie care ar trebui sa fie la 500 nm este vazuta la 750 nm, redshiftul ei este (750 - 500) / 500 = 0,5. Un redshift cosmologic mai mare inseamna in general lumina mai veche, de mai departe. Pipeline-ul DESI calibreaza fiecare spectru, identifica obiectul si raporteaza un redshift impreuna cu fiabilitatea acelei masuratori.

De la redshifturi la o harta 3D

Pentru fiecare galaxie, DESI stie doua unghiuri pe cer si, din redshift, aproximativ cat de departe se afla de-a lungul liniei de vedere. Pune milioane de astfel de masuratori una peste alta si apare reteaua cosmica: filamente de galaxii, roiuri dense, pereti ca niste foi si goluri uriase aproape pustii.

Exista aici o subtilitate. Un redshift nu este automat o distanta exacta: transformarea lui in distanta cere sa stii cum s-a extins universul. Iar acea istorie a expansiunii este tocmai ce incearca DESI sa masoare. Harta si masuratoarea sunt aceeasi problema vazuta din doua parti.

Cum devine o harta o masura a energiei intunecate

DESI citeste energia intunecata mai ales din doua trasaturi statistice ale hartii.

Prima este oscilatia acustica barionica, sau BAO: o rigla standard inghetata in universul timpuriu. Inainte sa existe stele, unde de presiune treceau prin plasma fierbinte de materie si lumina; cand universul s-a racit si undele s-au oprit, au lasat o separare usor preferata intre galaxii, o scara comoventa de aproximativ 490 de milioane de ani-lumina, adica o distanta citata cu expansiunea universului scoasa din calcul, ca sa poata fi comparata intre epoci. Pentru ca acea lungime reala este cunoscuta din fizica universului timpuriu, DESI poate masura cat de mare pare rigla la redshifturi diferite, pe cer si de-a lungul liniei de vedere, si poate urmari cat de repede s-a extins universul in fiecare epoca. Daca energia intunecata s-a schimbat in timpul cosmic, apare ca o schimbare in acea istorie a expansiunii.

A doua sunt distorsiunile in spatiul redshifturilor, sau RSD. Galaxiile nu doar calatoresc cu expansiunea cosmica; ele cad si catre roiuri si filamente. Aceste miscari suplimentare deplaseaza usor redshifturile si turtesc statistic reteaua cosmica de-a lungul liniei de vedere. Cat de puternic este efectul spune cat de repede creste structura sub gravitatie, crestere pe care expansiunea accelerata tinde sa o incetineasca. Compararea celor doua le permite cosmologilor sa testeze gravitatia si modelele de energie intunecata unul fata de celalalt.

Deci energia intunecata nu este vazuta niciodata direct. Este inferata din felul in care rata de expansiune se schimba in timp, masurat fata de rigla acustica si cresterea structurii.

Ce nu face DESI

DESI nu detecteaza particule de energie intunecata, nu fotografiaza o substanta invizibila si nu masoara direct distanta fiecarei galaxii cu un telemetru. Ce masoara foarte bine sunt spectrele, redshifturile, distributia statistica a galaxiilor si felul in care acea distributie se schimba cu epoca cosmica. Energia intunecata este explicatia fizica pusa la incercare cand acele masuratori sunt comparate cu modele cosmologice, nu ceva ce instrumentul inregistreaza.

Intr-o fraza

DESI citeste codurile de bare luminoase ale milioanelor de galaxii, construieste din redshifturile lor o harta tridimensionala a universului si cauta in tiparul acelei harti urmele felului in care expansiunea cosmica s-a schimbat in timp.