Як працює DESI

Ідея в одному циклі

Усе, що робить DESI, повторює один цикл:

вибрати 5000 галактик → зібрати світло кожної окремо → розкласти це світло на кольори → виміряти червоне зміщення → помістити галактику в тривимірну карту.

Зробіть це для мільйонів об’єктів по всьому небу й по всій космічній історії — і карта, що постає, несе відбиток того, як розширювався Всесвіт.

Що вибрати для спостереження

DESI не прочісує небо наосліп. Він відштовхується від уже наявних широких оглядових знімків і відбирає найкорисніші цілі за їхньою яскравістю, формою й кольором. Основні цілі спостережень:

• яскраві, порівняно близькі галактики;
• яскраві червоні галактики — масивні й більш віддалені;
• галактики з емісійними лініями, у спектрах яких є чіткі, легко впізнавані особливості;
• квазари — яскраві маяки, якими зондують найдальший Всесвіт і газ, що лежить між нами й ними.

Кольори дають грубий здогад про тип і відстань об’єкта. Точне ж вимірювання DESI робить своїми спектрографами.

П’ять тисяч роботів і волокон

DESI встановлено на 4-метровому телескопі імені Ніколаса У. Мейолла на Кітт-Пік, в Аризоні. Набір великих лінз фокусує світло на вигнутій фокальній площині близько 0,8 метра в поперечнику, що охоплює ділянку неба завширшки приблизно 3 градуси — величезне поле для спектрографа.

Ця фокальна площина розділена на десять клиноподібних секцій, і в кожній — 500 крихітних роботів: усього 5000 роботизованих позиціонерів. Кожен робот несе кінчик тонкого оптичного волокна. Перед кожною експозицією програма обчислює, куди на фокальній площині потрапить кожна ціль, і підводить кожне волокно до його цілі — наче разом ставить 5000 мікроскопічних трубочок над 5000 точок світла. Сусідні волокна мусять уникати зіткнень, тому в густій ділянці не кожну ціль вдається впіймати за один раз; небо навідують знову з іншими призначеннями.

Від світла до спектра

Під час експозиції кожне волокно збирає світло того єдиного об’єкта, на який було наведене. Потім світло йде джгутами волокон до десяти спектрографів, кожен із яких живиться 500 волокнами. Кожен спектрограф розкладає світло по трьох діапазонах довжин хвиль — від ближнього ультрафіолету до ближнього інфрачервоного, приблизно від 360 до 980 нанометрів.

Результат — не фотографія, а спектр для кожного об’єкта: крива яскравості залежно від довжини хвилі, з піками й провалами там, де хімічні елементи, зорі й газ випромінюють або поглинають світло.

Від спектра до червоного зміщення

У цих спектральних ліній є довжини хвиль, виміряні в лабораторії. Від далекої галактики вони приходять розтягнутими до довших хвиль, бо розширення Всесвіту розтягнуло світло дорогою до нас. Величина розтягу — це червоне зміщення, z:

z = (спостережувана довжина хвилі − випромінена довжина хвилі) / випромінена довжина хвилі.

Якщо лінія, яка має бути на 500 нм, видна на 750 нм, її червоне зміщення дорівнює (750 − 500) / 500 = 0,5. Більше космологічне червоне зміщення зазвичай означає старіше світло, що прийшло здалеку. Конвеєр обробки DESI калібрує кожен спектр, розпізнає об’єкт і повідомляє червоне зміщення разом із тим, наскільки воно надійне.

Від червоних зміщень до тривимірної карти

Для кожної галактики DESI знає два кути на небі і, з червоного зміщення, приблизно як далеко вздовж променя зору вона лежить. Складіть мільйони таких разом — і проступає космічна павутина: філаменти галактик, щільні скупчення, стіноподібні пласти й величезні майже порожні войди.

Тут є тонкість. Червоне зміщення — не автоматично точна відстань: щоб перетворити одне на інше, треба знати, як розширювався Всесвіт. А ця історія розширення — саме те, що DESI й намагається виміряти. Карта і вимірювання — та сама задача, побачена з двох боків.

Як карта стає вимірюванням темної енергії

DESI зчитує темну енергію головно з двох статистичних особливостей карти.

Перша — баріонна акустична осциляція, або BAO: стандартна лінійка, вморожена в ранній Всесвіт. Перш ніж з’явилися зорі, гарячою плазмою матерії та світла бігли хвилі тиску; коли Всесвіт охолов і хвилі спинилися, вони лишили трохи переважну відстань між галактиками — супутній масштаб близько 490 мільйонів світлових років, відстань, наведену з вирахуванням розширення Всесвіту, щоб її можна було порівнювати між епохами. Оскільки ця істинна довжина відома з фізики раннього Всесвіту, DESI може виміряти, наскільки великою лінійка здається на різних червоних зміщеннях — по небу й уздовж променя зору — і побудувати, як швидко Всесвіт розширювався в кожну епоху. Якщо темна енергія змінювалася за космічний час, це проявляється як зміна в цій історії розширення.

Друга — спотворення в просторі червоних зміщень, або RSD. Галактики не лише несуться разом із космічним розширенням; вони ще й падають до скупчень і філаментів. Ці додаткові рухи трохи зсувають червоні зміщення й статистично сплющують космічну павутину вздовж променя зору. Наскільки сильний цей ефект — каже, як швидко структура росте під дією гравітації, яку прискорене розширення схильне сповільнювати. Порівняння цих двох речей дозволяє космологам перевіряти моделі гравітації й темної енергії одна проти одної.

Отже, темну енергію ніколи не бачать безпосередньо. Її виводять із того, як темп розширення змінюється з часом, вимірюючи це за акустичною лінійкою та ростом структури.

Чого DESI не робить

DESI не виявляє частинки темної енергії, не фотографує невидиму субстанцію й не вимірює відстань до кожної галактики безпосередньо, як далекомір. Він дуже добре вимірює спектри, червоні зміщення, статистичний розподіл галактик і те, як цей розподіл змінюється з космічною епохою. Темна енергія — це фізичне пояснення, яке ставлять під сумнів, коли ці вимірювання порівнюють із космологічними моделями, а не те, що записує прилад.

В одній фразі

DESI зчитує яскраві штрихкоди мільйонів галактик, будує тривимірну карту Всесвіту за їхніми червоними зміщеннями й шукає у візерунку цієї карти сліди того, як космічне розширення змінювалося з часом.