S pomoću 5.000 malih robota smještenih u teleskopu na vrhu planine, istraživači imaju mogućnost promatrati svemir kakav je bio prije 11 milijardi godina. Svjetlost koja dolazi od udaljenih objekata u svemiru tek sada doseže Instrument za spektroskopsko istraživanje tamne energije (DESI), omogućavajući nam da kartografiramo naš svemir u njegovoj mladosti i pratimo njegov razvoj do oblika koji danas vidimo. Razumijevanje evolucije svemira usko je povezano s predviđanjima o njegovom završetku i s jednom od najvećih misterija fizike: tamnom energijom, nepoznatim čimbenikom koji uzrokuje sve brže širenje svemira.

Za proučavanje utjecaja tamne energije kroz proteklih 11 milijardi godina, DESI je stvorio najveću trodimenzionalnu mapu našeg svemira ikad izrađenu, s najpreciznijim mjerenjima do danas. Ovo je prvi put da su znanstvenici izmjerili povijest širenja mladog svemira s preciznošću boljom od 1%, pružajući nam najjasniji uvid u to kako se svemir razvijao. Istraživači su analizu podataka prikupljenih tijekom prve godine podijelili u više radova koji će biti objavljeni danas na arXivu te prezentirani na sastanku Američkog fizičkog društva u Sjedinjenim Državama i na Rencontres de Moriond u Italiji.

Michael Levi, direktor DESI-a i znanstvenik na Odjelu za energiju Nacionalnog laboratorija Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), koji upravlja projektom, izjavio je: „Izuzetno smo ponosni na podatke koji su proizveli vodeće svjetske rezultate u kozmologiji i koji su prvi koji dolaze iz nove generacije eksperimenata na tamnu energiju. Za sada vidimo osnovnu suglasnost s našim najboljim modelom svemira, ali također primjećujemo neke potencijalno zanimljive razlike koje bi mogle ukazivati na to da se tamna energija mijenja tijekom vremena. Te razlike možda nestanu s dodatnim podacima, stoga s nestrpljenjem očekujemo analizu našeg trogodišnjeg skupa podataka.“

Nadalje, naš vodeći model svemira poznat je kao Lambda CDM. Uključuje slabije interaktivne vrste materije (hladnu tamnu materiju ili CDM) te tamnu energiju (Lambda). I materija i tamna energija oblikuju način na koji se svemir širi, ali na suprotne načine. Materija i tamna materija usporavaju širenje svemira, dok tamna energija to ubrzava. Količina svake od njih utječe na evoluciju našeg svemira. Ovaj model dobro opisuje rezultate ranijih eksperimenata i kako svemir izgleda kroz vrijeme.

Međutim, kada se rezultati prve godine DESI-ja kombiniraju s podacima iz drugih studija, postoje neke suptilne razlike u odnosu na ono što bi Lambda CDM predvidio. Kako DESI prikuplja više informacija tijekom svoje petogodišnje ankete, ovi rani rezultati postat će precizniji, bacajući svjetlo na to jesu li podaci usmjereni prema različitim objašnjenjima za rezultate koje opažamo ili potrebu za ažuriranjem našeg modela. Više podataka također će poboljšati druge rane rezultate DESI-ja, koji utječu na Hubbleovu konstantu (mjeru koliko brzo se svemir širi danas) i masu čestica zvanih neutrini.

"Nijedan spektroskopski eksperiment prije nije imao ovako mnogo podataka, a mi i dalje prikupljamo podatke iz više od milijun galaksija svakog mjeseca," rekla je Nathalie Palanque-Delabrouille, znanstvenica iz Berkeley Laba i su-govornica za eksperiment. "Zapanjujuće je što već s našim podacima prve godine možemo mjeriti povijest širenja našeg svemira u sedam različitih razdoblja kozmičkog vremena, svako s preciznošću od 1 do 3%. Tim je uložio ogroman trud kako bi se pozabavio nijansama instrumentalnog i teoretskog modeliranja, što nam daje povjerenje u robustnost naših prvih rezultata."

Sveukupna preciznost DESI-ja na povijest širenja kroz svih 11 milijardi godina iznosi 0,5%, a najudaljenije razdoblje, koje pokriva 8-11 milijardi godina u prošlosti, ima rekordnu preciznost od 0,82%. Ta mjerenja našeg mladog svemira izuzetno su teška. Ipak, unutar jedne godine, DESI je postao dvostruko moćniji u mjerenju povijesti širenja tih ranijih vremena u odnosu na svog prethodnika (Sloan Digital Sky Survey's BOSS/eBOSS), koji je za to trebao više od desetljeća.

"Oduševljeni smo rezultatima kozmologije iz prve godine rada DESI-ja," rekla je Gina Rameika, zamjenica direktora za visoku energijsku fiziku u DOE. "DESI nas i dalje iznenađuje svojom izvrsnom izvedbom i već oblikuje naše razumijevanje svemira."

Povratak u prošlost kroz međunarodnu suradnju
DESI predstavlja međunarodnu suradnju koja obuhvaća više od 900 istraživača iz preko 70 institucija diljem svijeta. Instrument je izgrađen i financiran sredstvima Ureda za znanost Ministarstva energetike SAD-a, a smješten je na vrhu 4-metarskog teleskopa Nicholasa U. Mayalla u Nacionalnom opservatoriju Kitt Peak, koji je dio NOIRLab-a Nacionalne zaklade za znanost SAD-a.

Gledajući na mapu koju je izradio DESI, lako je uočiti temeljnu strukturu svemira: skupine galaksija okupljenih zajedno, razdvojene prazninama s manjim brojem objekata. Naš vrlo rani svemir, daleko izvan dosega DESI-ja, bio je potpuno drugačiji: vruća, gusta juha subatomskih čestica koje su se kretale prebrzo da bi se formirala stabilna materija poput atoma koje danas poznajemo. Među tim česticama bili su jezgre vodika i helija, zajednički nazvane barioni.

Male fluktuacije u ovom rano ioniziranom plazmi izazvale su valove pritiska, premještajući barione u uzorak valova sličan onome što biste vidjeli kada biste bacili šaku šljunka u ribnjak. Kako se svemir širio i hladnio, formirali su se neutralni atomi, a valovi pritiska prestali su, 'zamrzavajući' valove u tri dimenzije i povećavajući grupiranje budućih galaksija u gusto naseljenim područjima. Milijardama godina kasnije, još uvijek možemo vidjeti taj slab uzorak 3D valova ili mjehurića, u karakterističnom razmaku galaksija – značajka poznata kao barijonske akustične oscilacije (BAO).

Istraživači koriste mjerenja BAO-a kao kozmičko mjerilo. Mjereći prividnu veličinu ovih mjehurića, mogu odrediti udaljenosti do materije odgovorne za ovaj izuzetno slab uzorak na nebu. Mapiranje BAO mjehurića, kako bliskih tako i dalekih, omogućava istraživačima da podatke podijele na segmente, mjereći kako brzo se svemir širio u svakom trenutku svoje prošlosti i modelirajući kako tamna energija utječe na to širenje.

Izvanredni dosezi u mjerenju širenja svemira
"Hee-Jong Seo, profesorica na Sveučilištu Ohio i suvoditeljica analize BAO u sklopu DESI-ja, izjavila je: „Izmjerili smo povijest širenja kroz ovaj ogroman raspon kozmičkog vremena s preciznošću koja nadmašuje sve prethodne BAO ankete zajedno. Vrlo smo uzbuđeni što ćemo saznati kako će ova nova mjerenja poboljšati i promijeniti naše razumijevanje kozmosa. Ljudi imaju vječnu fascinaciju svemirom, želeći znati od čega je sačinjen i što će mu se dogoditi.“

Korištenje galaksija za mjerenje povijesti širenja i bolje razumijevanje tamne energije jedna je tehnika, ali njezin domet je ograničen. Na određenoj točki, svjetlost tipičnih galaksija postaje preslaba, pa se istraživači okreću kvazarima, iznimno udaljenim, svijetlim galaktičkim jezgrama s crnim rupama u svojim središtima. Svjetlost kvazara apsorbirana je dok prolazi kroz međugalaktičke oblake plina, omogućavajući istraživačima da mapiraju džepove guste materije i koriste ih na isti način kao i galaksije – tehnikom poznatom kao korištenje „Lyman-alfa šume“.

"Andreu Font-Ribera, znanstvenik iz Instituta za visoku energijsku fiziku (IFAE) u Španjolskoj koji suvoditelji analizu Lyman-alfa šume u sklopu DESI-ja, rekao je: „Koristimo kvazare kao pozadinsko svjetlo da bismo u osnovi vidjeli sjenu međudjelujućeg plina između kvazara i nas. To nam omogućava da pogledamo dalje u prošlost, kada je svemir bio vrlo mlad. To je zaista teško mjerenje koje treba obaviti, i izvanredno je vidjeti kako uspijeva.“

Istraživači su koristili 450.000 kvazara, najveći skup ikad prikupljen za ova mjerenja Lyman-alfa šume, kako bi proširili svoja BAO mjerenja sve do 11 milijardi godina u prošlost. Do kraja ankete, DESI planira mapirati 3 milijuna kvazara i 37 milijuna galaksija.

Napredna znanost DESI je prvi spektroskopski eksperiment koji izvodi potpuno "zamagljenu analizu", prikrivajući pravi rezultat od znanstvenika kako bi se izbjegla bilo kakva podsvjesna potvrda pristranosti. Istraživači rade u neznanju s modificiranim podacima, pišući kod za analizu svojih nalaza. Kada je sve finalizirano, primjenjuju svoju analizu na izvorne podatke kako bi otkrili stvarni odgovor.

Uvjerenje u analizu i budući projekti
"Način na koji smo proveli analizu daje nam povjerenje u naše rezultate, posebno u pokazivanju da je Lyman-alfa šuma moćan alat za mjerenje širenja svemira," izjavio je Julien Guy, znanstvenik iz Berkeley Laba i suvoditelj obrade informacija iz DESI-jevih spektrografa. "Skup podataka koji prikupljamo izuzetan je, kao i brzina kojom ga prikupljamo. Ovo je najpreciznije mjerenje koje sam ikada obavio u životu."

Podaci DESI-ja koristit će se za dopunu budućih istraživanja neba poput Opservatorija Vera C. Rubin i svemirskog teleskopa Nancy Grace Roman, te za pripremu potencijalne nadogradnje DESI-ja (DESI-II) koju je nedavno preporučilo Vijeće za prioritetizaciju projekata fizike čestica u SAD-u.

"Mi smo u zlatnom dobu kozmologije, s velikim tekućim i nadolazećim istraživačkim anketama te s novim tehnikama koje se razvijaju za najbolje korištenje ovih skupova podataka," rekao je Arnaud de Mattia, istraživač s Francuske komisije za alternativne energije i atomsku energiju (CEA) i suvoditelj DESI-jeve grupe koja tumači kozmološke podatke. "Svi smo jako motivirani vidjeti hoće li novi podaci potvrditi značajke koje smo vidjeli u našem uzorku prve godine i izgraditi bolje razumijevanje dinamike našeg svemira."

DESI podržavaju Ured za znanost Ministarstva energetike SAD-a i Nacionalni centar za znanstveno računalstvo u energetici, korisnički objekt Ureda za znanost Ministarstva energetike. Dodatnu podršku za DESI pružaju Nacionalna zaklada za znanost SAD-a; Vijeće za znanstvene i tehnološke objekte Ujedinjenog Kraljevstva; Zaklada Gordon i Betty Moore; Zaklada Heising-Simons; Francuska komisija za alternativne energije i atomsku energiju (CEA); Nacionalno vijeće za humanistiku, znanosti i tehnologije Meksika; Ministarstvo znanosti i inovacija Španjolske; te institucije članice DESI-ja.

Suradnja DESI-a počašćena je dopuštenjem za provođenje znanstvenih istraživanja na Iolkam Du’agu (Kitt Peak), planini od posebnog značaja za narod Tohono O'odham.