خبرگزاري آريا – با وجود 5000 ربات کوچک در تلسکوپ قله کوه، محققان مي توانند به 11 ميليارد سال گذشته نگاه کنند. نور اجسام دوردست در فضا به تازگی به ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI) می‌رسد و به ما این امکان را می‌دهد تا کیهان خود را همانطور که در دوران جوانی خود بوده ترسیم کنیم و رشد آن را با آنچه امروز می‌بینیم دنبال کنیم. درک چگونگی تکامل جهان ما به پایان آن و یکی از بزرگترین رازهای فیزیک مرتبط است: انرژی تاریک، عنصر ناشناخته ای که باعث می شود جهان ما سریعتر و سریعتر گسترش یابد.
برای مطالعه اثرات انرژی تاریک در 11 میلیارد سال گذشته، DESI بزرگترین نقشه سه بعدی کیهان ما را که تا کنون ساخته شده است، با دقیق ترین اندازه گیری ها تا به امروز ایجاد کرده است. این اولین باری است که دانشمندان تاریخ انبساط جهان جوان را با دقتی بهتر از 1% اندازه گیری می کنند و بهترین تصویر را از چگونگی تکامل جهان به ما ارائه می دهد. محققان تجزیه و تحلیل خود را از داده هایی که در سال اول جمع آوری کردند به اشتراک گذاشتند اسناد متعدد که امروز در arXiv و در مذاکرات در نشست انجمن فیزیک آمریکا در ایالات متحده و Rencontres de Moriond در ایتالیا منتشر خواهد شد.
مایکل لوی، مدیر DESI و دانشمند لارنس در دپارتمان علوم، می‌گوید: «ما به‌طور باورنکردنی به داده‌هایی که منجر به نتایج پیشرو در جهان در کیهان‌شناسی شده‌اند و اولین کسانی هستند که از نسل جدیدی از آزمایش‌های انرژی تاریک بیرون آمده‌اند، افتخار می‌کنیم. آزمایشگاه ملی برکلی انرژی (آزمایشگاه برکلی)، که پروژه را مدیریت می کند. “تا اینجا ما شاهد توافق اولیه با بهترین مدل خود از جهان هستیم، اما همچنین شاهد برخی تفاوت‌های بالقوه جالب هستیم که می‌تواند نشان‌دهنده تکامل انرژی تاریک در طول زمان باشد.” اینها ممکن است با داده های بیشتر ناپدید شوند یا نشوند، بنابراین ما هیجان زده هستیم که به زودی مجموعه داده های سه ساله خود را تجزیه و تحلیل کنیم.
مدل جهان پرچمدار ما به عنوان Lambda CDM شناخته می شود. این شامل هر دو نوع ماده با تعامل ضعیف (ماده تاریک سرد یا CDM) و انرژی تاریک (لامبدا) است. هم ماده و هم انرژی تاریک نحوه انبساط جهان را شکل می دهند – اما به روش های متضاد. ماده و ماده تاریک انبساط را کاهش می دهند، در حالی که انرژی تاریک آن را سرعت می بخشد. مقدار هر کدام بر توسعه جهان ما تأثیر می گذارد. این مدل به خوبی نتایج آزمایش‌های قبلی را توصیف می‌کند و این که جهان همیشه چگونه به نظر می‌رسد.
با این حال، هنگامی که نتایج سال اول DESI با داده های سایر مطالعات ترکیب می شود، تفاوت های ظریفی با آنچه که لامبدا CDM پیش بینی می کند وجود دارد. همانطور که DESI در طول مطالعه پنج ساله خود اطلاعات بیشتری را جمع آوری می کند، این نتایج اولیه دقیق تر می شوند و روشن می کنند که آیا داده ها به توضیحات متفاوتی برای نتایجی که مشاهده می کنیم یا نیاز به به روز رسانی مدل ما را نشان می دهد. داده های بیشتر همچنین نتایج اولیه DESI را بهبود می بخشد، که ثابت هابل (اندازه گیری سرعت انبساط جهان امروزی) و جرم ذراتی به نام نوترینو را می سنجد.
Nathalie Palanque-Delabroule، دانشمند آزمایشگاه برکلی و یکی از نویسندگان این آزمایش، گفت: «هیچ آزمایش طیف‌سنجی تا به این اندازه داده نداشته است، و ما به جمع‌آوری داده‌های بیش از یک میلیون کهکشان در هر ماه ادامه می‌دهیم. “به طرز شگفت انگیزی، تنها با داده های سال اول ما، اکنون می توانیم تاریخ انبساط جهان خود را در هفت برش مختلف از فضازمان اندازه گیری کنیم، هر یک با دقت 1 تا 3 درصد.” این تیم حجم عظیمی از کار را برای توضیح پیچیدگی مدل‌سازی ابزاری و نظری انجام داده است، که به ما نسبت به قابلیت اطمینان اولین نتایج خود اطمینان می‌دهد.
دقت کلی DESI برای تاریخچه انبساط در کل 11 میلیارد سال 0.5٪ است و دورترین دوره که بین 8 تا 11 میلیارد سال در گذشته را شامل می شود دارای دقت رکورد 0.82٪ است. انجام این اندازه گیری جهان جوان ما فوق العاده دشوار است. با این حال، ظرف یک سال، DESI در اندازه‌گیری تاریخچه توسعه در این زمان‌های اولیه دو برابر قوی‌تر از نسخه قبلی خود (BOSS/eBOSS Sloan Digital Sky Survey) شد که بیش از یک دهه طول کشید.
جینا رامیکا، دستیار مدیر فیزیک انرژی بالا در DOE گفت: «ما از دیدن نتایج کیهان‌شناسی از اولین سال فعالیت DESI هیجان‌زده هستیم. DESI همچنان ما را با عملکرد ستاره ای خود شگفت زده می کند و در حال شکل گیری درک ما از جهان است.
سفر به گذشته در زمان
DESI یک همکاری بین المللی از بیش از 900 محقق از بیش از 70 موسسه در سراسر جهان است. این ابزار با بودجه دفتر علوم DOE ساخته و به کار گرفته شد و در بالای تلسکوپ 4 متری نیکلاس یو. مایال بنیاد ملی علوم ایالات متحده در رصدخانه ملی کیت پیک، برنامه ای از NOIRLab NSF قرار دارد.
با نگاهی به نقشه DESI، به راحتی می توان ساختار اصلی جهان را مشاهده کرد: رشته هایی از کهکشان ها که در کنار هم قرار گرفته اند و با شکاف هایی از اجرام کمتر از هم جدا شده اند. جهان بسیار اولیه ما، بسیار فراتر از نقطه نظر DESI، کاملاً متفاوت بود: سوپ داغ و متراکمی از ذرات زیراتمی که خیلی سریع حرکت می‌کردند تا مواد پایداری مانند اتم‌هایی که امروز می‌شناسیم را تشکیل دهند. از جمله این ذرات، هسته های هیدروژن و هلیوم هستند که مجموعاً باریون نامیده می شوند.
نوسانات کوچک در این پلاسمای یونیزه اولیه امواج فشار را ایجاد می کند و باریون ها را در الگوی موجی حرکت می دهد که شبیه به چیزی است که اگر یک مشت شن را به داخل دریاچه پرتاب کنید، مشاهده می کنید. با انبساط و سرد شدن جهان، اتم های خنثی شکل گرفتند و امواج فشار متوقف شدند، امواج را در سه بعد منجمد کردند و خوشه بندی کهکشان های آینده را در نواحی متراکم افزایش دادند. میلیاردها سال بعد، ما هنوز می‌توانیم این الگوی ضعیف از امواج سه‌بعدی یا حباب‌ها را در جداسازی مشخص کهکشان‌ها ببینیم – ویژگی به نام نوسان‌های صوتی باریون (BAO).
محققان از اندازه گیری های BAO به عنوان یک خط کش کیهانی استفاده می کنند. با اندازه‌گیری اندازه ظاهری این حباب‌ها، آنها می‌توانند فواصل تا ماده مسئول این الگوی بسیار ضعیف در آسمان را تعیین کنند. نقشه برداری از حباب های BAO در نزدیکی و دوردست به محققان اجازه می دهد تا داده ها را برش داده و قطعه قطعه کنند، اندازه گیری سرعت انبساط جهان در هر نقطه ای از گذشته و مدل سازی چگونگی تأثیر انرژی تاریک بر این انبساط.
هی جونگ سو، استاد دانشگاه اوهایو و یکی از رهبران تجزیه و تحلیل BAO DESI، گفت: ما تاریخچه انبساط را در این گستره وسیع از فضازمان با دقتی اندازه‌گیری کرده‌ایم که از تمام مطالعات قبلی BAO در مجموع فراتر می‌رود. ما بسیار هیجان زده هستیم که بدانیم چگونه این اندازه گیری های جدید درک ما از فضا را بهبود می بخشد و تغییر می دهد. انسان ها برای همیشه مجذوب جهان ما هستند و می خواهند بدانند که از چه چیزی ساخته شده است و چه اتفاقی برای آن خواهد افتاد.
استفاده از کهکشان‌ها برای اندازه‌گیری تاریخچه انبساط و درک بهتر انرژی تاریک یکی از تکنیک‌ها است، اما تنها می‌تواند تا این حد پیش برود. در یک نقطه خاص، نور کهکشان های معمولی بسیار کم است، بنابراین محققان به اختروش ها، هسته های کهکشانی بسیار دور و درخشان با سیاهچاله ها در مرکز خود روی می آورند. نور حاصل از اختروش‌ها هنگام عبور از ابرهای گازی بین کهکشانی جذب می‌شود و به محققان این امکان را می‌دهد تا از حفره‌های ماده متراکم نقشه‌برداری کنند و از آنها به همان روشی که از کهکشان‌ها استفاده می‌کنند استفاده کنند، تکنیکی که به استفاده از “جنگل لیمان-آلفا” معروف است.
آندریو فونت ریبرا، دانشمند مؤسسه فیزیک انرژی بالا (IFAE) در اسپانیا که یکی از رهبران لیمان است، می‌گوید: «ما از اختروش‌ها به‌عنوان نور پس‌زمینه استفاده می‌کنیم تا اساساً سایه گاز مداخله‌گر بین اختروش‌ها و ما را ببینیم. از DESI. تجزیه و تحلیل جنگل آلفا “این به ما امکان می دهد زمانی که جهان بسیار جوان بود به عقب تر نگاه کنیم. اندازه گیری آن واقعاً سخت است و دیدن موفقیت آن فوق العاده است.”
محققان از 450000 اختروش استفاده کردند که بزرگترین مجموعه ای است که تا به حال برای این اندازه گیری های جنگل لیمان-آلفا جمع آوری شده است تا اندازه گیری های BAO خود را تا 11 میلیارد سال در گذشته گسترش دهند. تا پایان این بررسی، DESI قصد دارد 3 میلیون اختروش و 37 میلیون کهکشان را نقشه برداری کند.
علوم پیشرفته
DESI اولین آزمایش طیف‌سنجی است که یک تحلیل کاملاً کور انجام می‌دهد که نتیجه واقعی را از دانشمندان پنهان می‌کند تا از هرگونه سوگیری تأیید ناخودآگاه جلوگیری شود. محققان در تاریکی با داده های اصلاح شده کار می کنند و کد را برای تجزیه و تحلیل یافته های خود می نویسند. هنگامی که همه چیز نهایی شد، آنها تجزیه و تحلیل خود را بر روی داده های اصلی اعمال می کنند تا پاسخ واقعی را کشف کنند.
جولین گای، دانشمند آزمایشگاه برکلی و یکی از محققان می‌گوید: روشی که ما آنالیز را انجام دادیم به ما در نتایج خود اطمینان می‌دهد و به ویژه نشان می‌دهد که جنگل لیمان-آلفا ابزاری قدرتمند برای اندازه‌گیری انبساط جهان است. رهبران پردازش اطلاعات از طیف نگارهای DESI. گستره داده‌هایی که جمع‌آوری می‌کنیم فوق‌العاده است، و همچنین سرعت جمع‌آوری آنها فوق‌العاده است. این دقیق‌ترین اندازه‌گیری است که در زندگی‌ام انجام داده‌ام.»
داده‌های DESI برای تکمیل بررسی‌های آینده آسمان مانند رصدخانه Vera C. Rubin و تلسکوپ فضایی نانسی گریس رم، و برای آماده‌سازی برای ارتقای احتمالی به DESI (DESI-II) که در یک اخیر توصیه شده بود، استفاده خواهد شد. گزارش توسط گروه اولویت‌بندی پروژه فیزیک ذرات ایالات متحده.
Arnaud de Mattia، محقق در سازمان فرانسه گفت: «ما در عصر طلایی کیهان‌شناسی هستیم، با بررسی‌های گسترده در حال انجام و در شرف راه‌اندازی، و تکنیک‌های جدید در حال توسعه برای بهترین استفاده از این مجموعه داده‌ها». انرژی های جایگزین و کمیسیون انرژی اتمی (CEA) و یکی از رهبران گروه تفسیر داده های کیهانی DESI. “همه ما واقعاً انگیزه داریم تا ببینیم آیا داده های جدید ویژگی هایی را که در نمونه سال اول دیدیم تأیید می کند و درک بهتری از پویایی جهان ما ایجاد می کند.”
DESI توسط دفتر علوم DOE و مرکز محاسبات علمی تحقیقات انرژی ملی، یکی از امکانات کاربری دفتر علوم DOE پشتیبانی می شود. پشتیبانی اضافی برای DESI توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده ارائه می شود. شورای تأسیسات علم و فناوری انگلستان؛ بنیاد گوردون و بتی مور؛ بنیاد Heising-Simons; کمیسیون فرانسه برای انرژی های جایگزین و انرژی اتمی (CEA)؛ شورای ملی علوم انسانی، علوم و فناوری مکزیک؛ وزارت علوم و نوآوری اسپانیا؛ و توسط نهادهای عضو DESI.
همکاری DESI مفتخر به دریافت مجوز برای انجام تحقیقات بر روی ایولکام دواگ (قله کیت)، کوهی با اهمیت ویژه برای ملت توهون اودهام است.
###
آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) متعهد به ارائه راه حل هایی برای بشریت از طریق تحقیقات انرژی پاک، سیاره ای سالم و اکتشافات علمی است. آزمایشگاه برکلی و دانشمندانش در سال 1931 با این باور که بزرگترین مشکلات به بهترین وجه توسط تیم ها حل می شود، تأسیس شد و برنده 16 جایزه نوبل شده است. محققان از سراسر جهان برای تحقیقات پیشگامانه خود به تجهیزات علمی در سطح جهانی آزمایشگاه متکی هستند. آزمایشگاه برکلی یک آزمایشگاه ملی چند برنامه ای است که توسط دانشگاه کالیفرنیا برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده اداره می شود.
دفتر علوم DOE بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Energy.gov/science.