Ανιχνευτής ρομπότ για να χαρτογραφήσει το σύμπαν για ενδείξεις για τη σκοτεινή ενέργεια

Το 1998, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ένα εκπληκτικό γεγονός:Κάποια αντιβαρυτική δύναμη επιτάχυνε τη διαστολή του σύμπαντος. Δύο δεκαετίες αργότερα, αυτή η «σκοτεινή ενέργεια» εξακολουθεί να είναι ένα μυστήριο. Όμως, τον επόμενο μήνα, ένα βετεράνο τηλεσκόπιο στην Αριζόνα θα αρχίσει να ψάχνει για ενδείξεις, αφού εξοπλίστηκε εκ των υστέρων με ένα ρομποτικό σύστημα για να χαρτογραφήσει άνευ προηγουμένου 35 εκατομμύρια γαλαξίες και πώς συσσωρεύονται στο χώρο και το χρόνο.

Αυτό το τεράστιο δείγμα, που καλύπτει το μεγαλύτερο μέρος του ορατού σύμπαντος, θα επιτρέψει στο Φασματοσκοπικό Όργανο Σκοτεινής Ενέργειας (DESI) να αναζητήσει διακυμάνσεις στα μοτίβα συσσώρευσης που μπορεί να προδίδουν τη φύση της σκοτεινής ενέργειας. Μέχρι στιγμής, η σκοτεινή ενέργεια φαίνεται να έχει την ίδια επιταχυνόμενη επίδραση παντού, στο μεγαλύτερο μέρος της ιστορίας του σύμπαντος. Αυτό υποδηλώνει ότι είναι μια σταθερή πίεση που σχετίζεται με τον ίδιο τον ιστό του χώρου - μια λεγόμενη κοσμολογική σταθερά. Αλλά εάν η σκοτεινή ενέργεια αποδειχθεί ότι ποικίλλει με την πάροδο του χρόνου, θα μπορούσε να απαιτήσει μια πιο εξωτική εξήγηση, όπως ένα πρόσθετο πεδίο δύναμης, που μερικές φορές ονομάζεται πεμπτουσία, που θα μπορούσε να αλλάξει μέσω της κοσμικής ιστορίας. Ή θα μπορούσε να υποδεικνύει την ανάγκη για μια πιο θεμελιώδη επανεγγραφή της γενικής σχετικότητας, τη θεωρία της βαρύτητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν.

"Ποια είναι η υπόθεση?" ρωτά ο Ofer Lahav, αστρονόμος στο University College του Λονδίνου και επικεφαλής μιας βρετανικής κοινοπραξίας που συνεισφέρει στο έργο των 75 εκατομμυρίων δολαρίων. "Θα ήθελα να μάθω πριν πεθάνω."

Οι αστρονόμοι ανακάλυψαν αρχικά την κοσμική επιτάχυνση μετρώντας την απόσταση από τους σουπερνόβα σε απομακρυσμένους γαλαξίες. Βρήκαν ότι αυτοί οι μακρινοί φάροι είχαν παρασυρθεί πιο μακριά από ό,τι θα ήταν αν η επέκταση ήταν σταθερή. Αλλά ορισμένοι αμφισβήτησαν εάν οι σουπερνόβα σημαδεύουν την απόσταση αρκετά αξιόπιστα για να διερευνήσουν τη συμπεριφορά της σκοτεινής ενέργειας και οι αστρονόμοι έχουν υιοθετήσει νέες τακτικές με αυξανόμενη ακρίβεια. Για παράδειγμα, οι αστρονόμοι με το Dark Energy Survey, που ολοκληρώθηκε πρόσφατα χρησιμοποιώντας ένα τηλεσκόπιο στη Χιλή, αναζήτησαν μικροσκοπικές παραμορφώσεις στα σχήματα των γαλαξιών που προκαλούνται από παρεμβαλλόμενη ύλη, η κατανομή των οποίων περιέχει ενδείξεις για το τέντωμα του διαστήματος.

Οι αστρονόμοι του DESI θα χρησιμοποιήσουν αυτό που έχει αποδειχθεί ότι είναι ο πιο ισχυρός ανιχνευτής σκοτεινής ενέργειας μέχρι στιγμής. Θα αναζητήσουν μοτίβα κυματισμού, που ονομάζονται ακουστικές ταλαντώσεις βαρυονίου, στη συσσώρευση των γαλαξιών. Αυτοί οι κυματισμοί ξεκίνησαν ως ηχητικά κύματα που ξεπέρασαν το σύμπαν στα 400.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν ήταν μια στροβιλιζόμενη μάζα σωματιδίων και ενέργειας. Μόλις αυτή η αρχέγονη σούπα ψύχθηκε και έγινε διαφανής, οι κυματισμοί - που τράβηξαν την ύλη σε αυτούς και σχημάτισαν τα θεμέλια για τα σμήνη γαλαξιών - κλειδώθηκαν μέσα, χωρίστηκαν από μια χαρακτηριστική απόσταση. Μετρώντας πώς αυτό το κοσμικό μέτρο έχει αυξηθεί με την πάροδο του χρόνου, οι αστρονόμοι μπορούν να μετρήσουν τις ανταγωνιστικές επιπτώσεις της σκοτεινής ενέργειας και της βαρύτητας και να αναζητήσουν αποκλίσεις. "Είναι ένα θαύμα που η φύση έχτισε έναν τόσο χρήσιμο χάρακα", λέει ο Lahav.

Ένα έργο που ονομάζεται Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) πρωτοστάτησε στην τεχνική, ως μέρος του Sloan Digital Sky Survey (SDSS), το οποίο βασίστηκε σε ένα τηλεσκόπιο 2,5 μέτρων στο Νέο Μεξικό. Χαρτογράφησε περίπου 2 εκατομμύρια γαλαξίες — αλλά ήταν αργό και επίπονο. Για να πάρουν απόσταση από έναν γαλαξία, οι αστρονόμοι χωρίζουν το φως του σε ένα φάσμα και μετρούν την ερυθρή μετατόπισή του ή την έκταση του φωτός του από τη διαστολή του σύμπαντος. Οι αστρονόμοι του BOSS το έκαναν αυτό τοποθετώντας το εστιακό επίπεδο του τηλεσκοπίου με μια μάσκα:μια πλάκα αλουμινίου στην οποία είχαν ανοίξει εκατοντάδες τρύπες, η καθεμία σε ένα σημείο όπου θα έπεφτε φως από έναν γνωστό γαλαξία. Οι οπτικές ίνες που είχαν συνδεθεί με το χέρι σε κάθε τρύπα έπιασαν το φως κάθε γαλαξία και τον τροφοδοτούσαν σε ένα φασματογράφο. Αλλά οι ερευνητές έπρεπε να φτιάξουν μια νέα πλάκα και να επανασυνδέσουν τις ίνες κάθε φορά που το τηλεσκόπιο περιστρεφόταν σε ένα νέο μέρος του ουρανού. "Ήταν φρικτό αλλά αποτελεσματικό", λέει το μέλος της ομάδας DESI John Peacock από το Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου.

Χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο Nicholas U. Mayall 4 μέτρων στο Kitt Peak στην Αριζόνα, το DESI θα συλλάβει γαλαξίες από βαθύτερα στο χώρο και στο χρόνο από το SDSS και ο αυτοματισμός θα ενισχύσει την παραγωγικότητά του ανά νύχτα. Το όργανο έχει 5000 ίνες συνδεδεμένες στο εστιακό του επίπεδο πλάτους 0,8 μέτρων. Κάθε μύτη ίνας μπορεί να επανατοποθετηθεί μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα από έναν μικροσκοπικό ρομποτικό ενεργοποιητή. Οι 5000 ίνες πέφτουν στο πίσω μέρος του τηλεσκοπίου σε ένα δωμάτιο ελεγχόμενης θερμοκρασίας που περιέχει 10 φασματογράφους, καθένας από τους οποίους αναλύει το φως 500 γαλαξιών ταυτόχρονα. Ολόκληρο το όργανο μπορεί να διαμορφωθεί εκ νέου για ένα νέο κομμάτι του ουρανού μέσα σε λίγα λεπτά. «Το DESI είναι 10 φορές πιο αποτελεσματικό από την τελευταία έρευνα από το SDSS», λέει ο επιστήμονας του έργου David Schlegel του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley στην Καλιφόρνια. "Είναι η επόμενη γενιά."

Τον επόμενο μήνα, για πρώτη φορά, η ομάδα DESI θα στρέψει το τηλεσκόπιο στον ουρανό για να δοκιμάσει ολόκληρο το σύστημα. «Σιγά σιγά, θα δείξουμε ότι τα ρομπότ δουλεύουν και μαζεύουν φως», λέει το μέλος της ομάδας Nathalie Palanque-Delabruille από το Πανεπιστήμιο του Paris-Saclay. Μέχρι το 2025, οι αστρονόμοι ελπίζουν να έχουν στα χέρια τους τον πλήρη κοσμικό γαλαξιακό χάρτη τους. Θα περιέχει ενδείξεις όχι μόνο για τη σκοτεινή ενέργεια, αλλά και για άλλα εξωτικά ερωτήματα στην κοσμολογία, όπως εάν τα νετρίνα -μικρά φευγαλέα σωματίδια που είναι σχεδόν αδύνατο να ανιχνευθούν- θα μπορούσαν να ευθύνονται για την κρυμμένη σκοτεινή ύλη του σύμπαντος και εάν, όπως πιστεύουν οι θεωρητικοί, Το σύμπαν γεννήθηκε σε μια εκθετική έκρηξη διαστολής που διαρκεί μόλις ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, γνωστή ως πληθωρισμός.

«Στοχευόμαστε σε όλα τα πιο περίεργα πράγματα που βλέπουμε στο σύμπαν», λέει ο Schlegel.