Wetenschappers maken grootste 3D-kaart van de kosmos

Bij de foto: Kitt Peak National Observatory, in de buurt van Tucson, Arizona. Foto: Marilyn Sargent/Berkeley Lab

De technische prestaties en kosmische verwezenlijkingen van het onderzoek helpen wetenschappers ook om de geheimen van de krachtigste lichtbronnen in het universum te onthullen. Klaus Honscheid, mede-instrumentwetenschapper van DESI, lid van het DESI-leiderschapsteam en professor in de natuurkunde aan de staat Ohio, zal de eerste paper van de sessie afleveren.

"Het doel van DESI is om een ​​van de grootste mysteries in de wetenschap van vandaag te begrijpen: waarom versnelt de uitdijing van het universum?" zei Paul Martini, voormalig DESI-instrumentwetenschapper en hoogleraar astronomie aan de Ohio State. "We kunnen kosmische versnelling niet verklaren met de bekende natuurwetten, dus het antwoord op deze vraag zal ongelooflijk opwindend zijn, wat het ook is."

DESI is een internationale wetenschappelijke samenwerking die wordt beheerd door het Lawrence Berkeley National Laboratory van het US Department of Energy (DoE), met primaire financiering voor constructie en operaties van DoE's Office of Science. DESI's array van 5.000 fiber-optische robots, gehuisvest in Kitt Peak National Observatory (**) in Arizona, richten zich op 35 miljoen sterrenstelsels in het heelal om hun licht te verzamelen en te analyseren om de afstand van de sterrenstelsels tot de aarde nauwkeurig in kaart te brengen.

Astronomen van de staat Ohio hebben een belangrijke rol gespeeld in de ontwikkeling van DESI en blijven gedurende de hele operatie een aanzienlijke bijdrage leveren. Tijdens de bouw van DESI beheerde Martini het testen en integreren van de verschillende onderdelen van de apparatuur, terwijl Honscheid de software ontwierp die het instrument operationeel houdt.

Daarnaast ontwikkelden onderzoekers en afgestudeerde studenten van het Ohio State Center for Cosmology and AstroParticle Physics software, analyseerden ze gegevens, werkten ze aan het glasvezelpositioneringssysteem en hielpen ze bij het ontwerpen van spectrograafcomponenten.

Honscheid en zijn team zorgen ervoor dat het instrument soepel en automatisch loopt, idealiter zonder enige input tijdens een nacht waarnemen.

"Het is constant werk om dit instrument te laten presteren", zei Honscheid. “De feedback die ik krijg van de nachtwaarnemers is dat de job eerder saai is, wat ik als een compliment beschouw.”

Die monotone productiviteit vereist gedetailleerde controle over elk van de 5.000 robots van DESI, zodat hun posities tot op 10 micron nauwkeurig zijn.

"Tien micron is klein", zei Honscheid. “Het is minder dan de dikte van een mensenhaar. En je moet elke robot positioneren om het licht van sterrenstelsels op miljarden lichtjaren afstand te verzamelen. Elke keer als ik aan dit systeem denk, vraag ik me af: hoe kunnen we dat voor elkaar krijgen? Het succes van DESI als instrument is iets om heel trots op te zijn.”

Dat nauwkeurigheidsniveau is nodig om de primaire taak van het onderzoek te volbrengen: het verzamelen van gedetailleerde kleurenspectrumbeelden van miljoenen sterrenstelsels over meer dan een derde van de hele hemel. Door het licht van elk sterrenstelsel op te splitsen in zijn kleurenspectrum, kan DESI bepalen hoeveel het licht roodverschoven is - uitgerekt naar het rode uiteinde van het spectrum door de expansie van de kosmos gedurende de miljarden jaren die het aflegde voordat het de aarde bereikte.

Hoe meer roodverschoven het spectrum van een melkwegstelsel is, hoe verder weg het is. Met een 3D-kaart van de kosmos in de hand kunnen natuurkundigen clusters en superclusters van sterrenstelsels in kaart brengen. Die structuren dragen echo's van hun oorspronkelijke vorming, toen ze nog slechts rimpelingen in de kinderkosmos waren. Door die echo’s uit te pluizen, kunnen natuurkundigen de gegevens van DESI gebruiken om de expansiegeschiedenis van het universum te bepalen.

"Er zit veel schoonheid in", zegt Berkeley Lab-wetenschapper Julien Guy, een co-projectwetenschapper voor DESI die ook lid is van het DESI-leiderschapsteam. "In de verdeling van de sterrenstelsels op de 3D-kaart zijn er enorme clusters, filamenten en holtes. Het zijn de grootste structuren in het universum. Maar daarin vind je een afdruk van het zeer vroege heelal en de geschiedenis van de daaropvolgende expansie.”

Inzicht in de uitdijingsgeschiedenis is van cruciaal belang om meer te weten te komen over hoe donkere energie het lot van het heelal zal beïnvloeden. Momenteel bestaat ongeveer 70% van de inhoud van het heelal uit donkere energie, een mysterieuze vorm van energie die de uitdijing van het heelal versnelt.

Naarmate het universum uitdijt, komt er meer donkere energie tot stand, wat de uitdijing meer versnelt. Deze versnelling is volgens onderzoekers van cruciaal belang voor het beïnvloeden van de toekomst van het universum. Het vinden van de antwoorden betekent meer leren over het gedrag van donkere energie in het verleden - en dat is precies waar DESI voor is ontworpen.

Inzicht in het lot van het universum zal moeten wachten tot DESI meer van zijn onderzoek heeft voltooid. Ondertussen zorgt DESI al voor doorbraken in het begrijpen van het verre verleden, meer dan 10 miljard jaar geleden, toen sterrenstelsels nog jong waren.

DESI-wetenschappers gebruiken de gegevens om het gedrag van middelzware zwarte gaten in kleine sterrenstelsels te begrijpen. Enorme zwarte gaten zouden in de kernen van bijna elk groot sterrenstelsel voorkomen, zoals ons eigen Melkwegstelsel. Maar of kleine melkwegstelsels altijd hun eigen (kleinere) zwarte gaten in hun kernen hebben, is nog onbekend.

Wanneer gas, stof en ander materiaal dat in het zwarte gat valt, opwarmt, vormt zich een actieve galactische kern (AGN – Active Galactic Nucleus). In grote sterrenstelsels behoren AGN's tot de helderste objecten in het bekende universum. Maar in kleinere sterrenstelsels kunnen AGN's veel zwakker zijn.

De spectra die door DESI zijn gemaakt, kunnen dit probleem helpen oplossen - en het bereik ervan langs de hemel zal meer informatie opleveren over de kernen van kleine sterrenstelsels dan ooit tevoren. Die kernen zullen op hun beurt wetenschappers aanwijzingen geven over hoe heldere AGN's zich in het zeer vroege universum hebben gevormd.

Quasars - een bijzonder heldere variëteit aan sterrenstelsels - behoren tot de helderste en meest verre objecten die we kennen, en DESI-gegevens kunnen licht werpen op hun evolutie. Wetenschappers theoretiseren dat quasars worden omringd door een stofomhulsel, waardoor het licht dat ze afgeven rood wordt. Naarmate ze ouder worden, verdrijven ze dit stof en worden ze blauwer. DESI kan deze theorie testen door meer quasars te vinden dan enig eerder onderzoek, met naar schatting 2,4 miljoen quasars verwacht in de definitieve onderzoeksgegevens.

DESI heeft al meer dan 7,5 miljoen sterrenstelsels gecatalogiseerd en voegt er meer toe met een snelheid van meer dan een miljoen per maand. Alleen al in november 2021 catalogiseerde DESI roodverschuivingen van 2,5 miljoen sterrenstelsels. Tegen het einde van zijn run in 2026 zal het naar verwachting meer dan 35 miljoen sterrenstelsels in zijn catalogus hebben, wat een enorme verscheidenheid aan kosmologisch en astrofysisch onderzoek mogelijk maakt.

(*) Zie https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_Energy_Spectroscopic_Instrument (Engelstalig)
(**) Zie https://en.wikipedia.org/wiki/Kitt_Peak_National_Observatory (Engelstalig)