Så fungerar DESI

Idén i en cykel

Allt DESI gör upprepar samma slinga:

välj 5 000 galaxer → samla in ljuset från var och en separat → dela upp ljuset i dess färger → mät rödförskjutningen → placera galaxen på en 3D-karta.

Gör detta för miljontals objekt över himlen och genom kosmisk tid, så bär den framväxande kartan ett avtryck av hur universum har expanderat.

Att välja vad som ska observeras

DESI sveper inte blint över himlen. Det utgår från befintliga vidvinkelbilder och väljer de mest användbara målen efter ljusstyrka, form och färg. De viktigaste grupperna är:

• ljusstarka, relativt närbelägna galaxer;
• ljusstarka röda galaxer — massiva och mer avlägsna;
• emissionslinjegalaxer, vars spektra innehåller skarpa drag som är lätta att känna igen;
• kvasarer, lysande fyrar som används för att undersöka det mest avlägsna universum och gasen mellan oss och dem.

Färgerna ger en grov uppskattning av ett objekts typ och avstånd. DESI gör sedan den precisa mätningen med sina spektrografer.

Fem tusen robotar och fibrer

DESI sitter på Nicholas U. Mayall-teleskopet på 4 meter vid Kitt Peak i Arizona. En uppsättning stora linser fokuserar ljuset mot ett krökt fokalplan som är omkring 0,8 meter brett och täcker ett himmelsfält på ungefär 3 grader — ett enormt synfält för en spektrograf.

Fokalplanet är uppdelat i tio kilformade sektioner, var och en med 500 små robotar: totalt 5 000 robotiserade positionerare. Varje robot bär spetsen på en tunn optisk fiber. Före varje exponering beräknar programvara var varje mål hamnar på fokalplanet och styr varje fiber till sitt mål — som att samtidigt placera 5 000 mikroskopiska sugrör över 5 000 ljuspunkter. Närliggande fibrer måste undvika kollisioner, så alla mål i ett tätt område kan inte fångas på en gång; himlen observeras på nytt med andra tilldelningar.

Från ljus till spektrum

Under exponeringen samlar varje fiber in ljuset från det enda objekt den riktats mot. Ljuset färdas sedan genom fiberbuntar till tio spektrografer, som vardera matas av 500 fibrer. Varje spektrograf sprider ljuset över tre våglängdsband, från nära ultraviolett till nära infrarött, ungefär 360 till 980 nanometer.

Resultatet är inte ett fotografi utan ett spektrum för varje objekt: en kurva över ljusstyrka mot våglängd, med toppar och dalar där kemiska grundämnen, stjärnor och gas avger eller absorberar ljus.

Från spektrum till rödförskjutning

Dessa spektrallinjers våglängder har mätts i laboratoriet. Från en avlägsen galax når de oss utdragna till längre våglängder, eftersom universums expansion sträckte ljuset på vägen hit. Sträckningens storlek är rödförskjutningen, z:

z = (observerad våglängd − emitterad våglängd) / emitterad våglängd.

Om en linje som borde ligga vid 500 nm observeras vid 750 nm är rödförskjutningen (750 − 500) / 500 = 0,5. En större kosmologisk rödförskjutning betyder i allmänhet äldre ljus från längre bort. DESI:s pipeline kalibrerar varje spektrum, identifierar objektet och rapporterar en rödförskjutning tillsammans med hur tillförlitlig den är.

Från rödförskjutningar till en 3D-karta

För varje galax känner DESI till två vinklar på himlen och, utifrån rödförskjutningen, ungefär hur långt bort längs siktlinjen den ligger. När miljontals sådana läggs samman framträder det kosmiska nätet: galaxfilament, täta galaxhopar, väggliknande skikt och stora nästan tomma tomrum.

Här finns en subtilitet. En rödförskjutning är inte automatiskt ett exakt avstånd — för att omvandla det ena till det andra måste man veta hur universum har expanderat. Och den expansionshistorien är precis vad DESI försöker mäta. Kartan och mätningen är samma problem sett från två håll.

Hur en karta blir ett mått på mörk energi

DESI läser främst av mörk energi genom två statistiska egenskaper i kartan.

Den första är baryonakustiska oscillationer, eller BAO — en standardlinjal som frusit fast från det tidiga universum. Innan det fanns stjärnor rörde sig tryckvågor genom det heta plasmat av materia och ljus. När universum svalnade och vågorna stannade lämnade de ett svagt föredraget avstånd mellan galaxer, en komovande skala på omkring 490 miljoner ljusår — ett avstånd där universums expansion räknats bort så att olika epoker kan jämföras. Eftersom den verkliga längden är känd från det tidiga universums fysik kan DESI mäta hur stor linjalen ser ut vid olika rödförskjutningar — tvärs över himlen och längs siktlinjen — och kartlägga hur snabbt universum expanderade under varje epok. Om mörk energi har förändrats över kosmisk tid syns det som en förändring i expansionshistorien.

Den andra är rödförskjutningsrymdsdistorsioner, eller RSD. Galaxer följer inte bara med den kosmiska expansionen; de faller också mot hopar och filament. Dessa extra rörelser förskjuter rödförskjutningarna en aning och trycker statistiskt ihop det kosmiska nätet längs siktlinjen. Effektens styrka visar hur snabbt strukturer växer under gravitationen — något som accelererad expansion tenderar att bromsa. Genom att jämföra de två kan kosmologer pröva gravitations- och mörkenergimodeller mot varandra.

Mörk energi ses alltså aldrig direkt. Den härleds ur hur expansionshastigheten förändras över tid, mätt mot den akustiska linjalen och strukturernas tillväxt.

Vad DESI inte gör

DESI upptäcker inte partiklar av mörk energi, fotograferar inte ett osynligt ämne och avståndsmäter inte varje galax direkt. Det DESI mäter mycket väl är spektra, rödförskjutningar, galaxernas statistiska fördelning och hur den fördelningen förändras mellan kosmiska epoker. Mörk energi är den fysikaliska förklaring som prövas när dessa mätningar jämförs med kosmologiska modeller — inte något som instrumentet registrerar.

I en mening

DESI läser de ljusa streckkoderna från miljontals galaxer, bygger en tredimensionell karta över universum från deras rödförskjutningar och söker i kartans mönster efter spår av hur den kosmiska expansionen har förändrats över tid.