DESI crea la più grande mappa 3D dell’universo

Tomografia computerizzata 3D dell’universo da DESI. La Terra si trova in basso a sinistra e guarda a oltre 5 miliardi di anni luce di distanza in direzione della costellazione della Vergine. Con l’avanzare del video, la prospettiva si sposta verso la costellazione di Bootes. Ogni punto colorato rappresenta una galassia composta da centinaia di miliardi di stelle. La gravità ha attirato le galassie in una «rete cosmica» di densi ammassi, filamenti e vuoti. Credito: D. Schlegel/Berkeley Lab utilizzando i dati di DESI

strumento di spettroscopia di energia oscuraDESI) ha concluso i primi sette mesi della sua indagine distruggendo tutti i precedenti record di indagini sulle galassie 3D, creando la mappa dell’universo più grande e dettagliata mai realizzata. Tuttavia, si avvicina solo al 10% del percorso durante la sua missione quinquennale. Una volta completata, questa mappa 3D estremamente dettagliata produrrà una migliore comprensione dell’energia oscura, offrendo così a fisici e astronomi una migliore comprensione del passato e del futuro dell’universo. Nel frattempo, le straordinarie prestazioni tecniche e i risultati cosmici dell’indagine finora stanno aiutando gli scienziati a rivelare i segreti delle più potenti fonti di luce dell’universo.

DESI è una collaborazione scientifica internazionale gestita dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Laboratory) del Dipartimento dell’Energia con finanziamenti iniziali per la costruzione e le operazioni dall’Office of Science del Dipartimento dell’Energia.

Gli scienziati del DESI presenteranno le prestazioni dello strumento e alcuni dei primi risultati di astrofisica questa settimana in un webinar ospitato dal Berkeley Lab chiamato CosmoPalooza, che conterrà anche aggiornamenti da altri esperimenti cosmologici pionieristici.

«C’è molta bellezza in esso», ha detto Julian Gay, uno scienziato del Berkeley Lab, uno dei relatori. «Nella distribuzione delle galassie nella mappa 3D, ci sono enormi ammassi, filamenti e vuoti. Sono le strutture più grandi dell’universo. Ma al loro interno trovi un’impronta dell’universo primordiale e la storia della sua espansione da allora.»

DESI ha fatto molta strada per arrivare a questo punto. È stato originariamente proposto più di un decennio fa e la costruzione del dispositivo è iniziata nel 2015. È installato nel telescopio Nicholas U Maywell da 4 metri al Kate Summit Observatory vicino a Tucson, in Arizona. Il Kitt Peak National Observatory è un programma della National Science Foundation (NSF) NOIRLab, che il Dipartimento dell’Energia ha contratto per far funzionare il telescopio Mayall per l’indagine DESI. Lo strumento ha visto la sua prima luce alla fine del 2019. Poi, durante la sua fase di validazione, è scoppiata la pandemia di coronavirus e il telescopio si è spento per diversi mesi, anche se sono proseguiti alcuni lavori a distanza. A dicembre 2020, DESI ha nuovamente puntato gli occhi al cielo, ha testato hardware e software ed entro maggio 2021 era pronta per iniziare la sua indagine scientifica.

Scorri la mappa 3D delle galassie dallo Sloan Digital Sky Survey completato.

Uno spaccato della mappa 3D delle galassie dei primi mesi della Dark Energy Spectroscopy (DESI; a destra). La Terra si trova al centro e le galassie più distanti sono a più di 10 miliardi di anni luce da essa. Ogni punto rappresenta una galassia. Questa sezione 2D della mappa 3D DESI mostra solo circa 800.000 delle 7,5 milioni di galassie attualmente scansionate, che di per sé è solo una frazione dei 35 milioni di galassie che saranno nella mappa finale. Credito: D. Schlegel/Berkeley Lab utilizzando i dati di DESI

Ma il lavoro su DESI stesso non era terminato una volta iniziato il sondaggio. «È in corso il lavoro per far funzionare questo strumento», ha affermato il fisico della Ohio State University Klaus Hünscheid, uno scienziato delle macchine coinvolto nel progetto, che presenterà il primo articolo della sessione DESI di CosmoPalooza. Honscheid e il suo team assicurano che lo strumento funzioni in modo fluido e automatico, idealmente senza alcuna interferenza durante il monitoraggio notturno. «Il feedback che ricevo dagli osservatori notturni è che i turni sono noiosi e lo prendo come un complimento», ha detto.

Ma questa produttività monotona richiede un controllo incredibilmente dettagliato di ciascuno dei 5.000 sofisticati robot che posizionano le fibre ottiche sullo strumento DESI, assicurando che le loro posizioni siano precise entro 10 micron. «Dieci micron sono molto piccoli», ha detto Honshed. “È meno dello spessore di un capello umano. E devi inserire ogni robot per raccogliere la luce dalle galassie che si trovano a miliardi di anni luce di distanza. Ogni volta che penso a questo sistema, mi chiedo come possiamo realizzarlo? Il successo di DESI come strumento è qualcosa di cui essere orgogliosi».

Vedere i veri colori dell’energia oscura

Questo livello di Salute È necessario per portare a termine la missione principale dell’indagine: raccogliere immagini dettagliate dello spettro dei colori di milioni di galassie in più di un terzo dell’intero cielo. Suddividendo la luce di ciascuna galassia nel loro spettro di colori, DESI può quantificare lo spostamento verso il rosso della luce, allungato verso l’estremità rossa dello spettro dall’espansione dell’universo nei miliardi di anni che ha viaggiato prima di raggiungere la Terra. Sono questi spostamenti verso il rosso che fanno vedere a DESI la profondità del cielo.

Maggiore è lo spostamento verso il rosso dello spettro della galassia in generale, più è lontano da essa. Con una mappa 3D dell’universo in mano, i fisici possono mappare ammassi e superammassi di galassie. Quelle strutture portano echi della loro formazione iniziale, quando erano solo increspature nell’universo infantile. Attivando questi echi, i fisici possono utilizzare i dati DESI per determinare la storia di espansione dell’universo.

Il nuovo quasar scoperto con il DESI dà uno sguardo all’universo com’era quasi 13 miliardi di anni fa, meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang. Questo è il quasar DESI più distante rilevato finora, da una selezione di quasar DESI con spostamento verso il rosso estremamente elevato. Lo sfondo mostra questo quasar e i suoi dintorni nei sondaggi fotogrammetrici DESI Legacy. Credito: Jenny Yang, Osservatorio Steward/Università dell’Arizona

Il nostro obiettivo scientifico è misurare l’impronta digitale delle onde nel primordiale plasmaha detto Guy. «È sorprendente che possiamo effettivamente rilevare l’effetto di queste onde dopo miliardi di anni e così rapidamente nel nostro sondaggio».

Comprendere la storia dell’espansione è cruciale, poiché è in gioco niente di meno che il destino dell’intero universo. Oggi, circa il 70% del contenuto dell’universo è energia oscura, una misteriosa forma di energia che sta guidando l’espansione dell’universo più velocemente. Man mano che l’universo si espande, appare più energia oscura, accelerando ulteriormente l’espansione, in un ciclo che spinge una parte dell’energia oscura nell’universo verso l’alto. L’energia oscura determinerà in definitiva il destino dell’universo: si espanderà per sempre? Crollerà di nuovo su se stesso, dentro la grande esplosione indietro? O si farà a pezzi? Rispondere a queste domande significa imparare di più su come si è comportata l’energia oscura in passato, ed è esattamente ciò per cui DESI è stato progettato. E confrontando la storia dell’espansione con la storia della crescita, i cosmologi possono verificare se la teoria della relatività generale di Einstein regge su questi enormi distese di spazio e di tempo.

Buchi neri e galassie luminose

Ma la comprensione del destino dell’universo deve aspettare fino a quando DESI completa più della sua indagine. Nel frattempo, DESI sta già guidando scoperte nella nostra comprensione del lontano passato, più di 10 miliardi di anni fa, quando le galassie erano ancora giovani.

«È davvero sorprendente», ha detto Ragadeepika Pucha, una studentessa laureata in astronomia dell’Università dell’Arizona che lavora su DESI. «DESI ci dirà di più sulla fisica della formazione e dell’evoluzione delle galassie».

Pucha e i suoi colleghi utilizzano i dati DESI per comprendere il comportamento dei buchi neri di media massa nelle piccole galassie. Si pensa che i buchi neri supermassicci abitino nel cuore di quasi tutte le grandi galassie, come la nostra via Lattea. Ma indipendentemente dal fatto che le piccole galassie abbiano sempre i loro buchi neri (più piccoli) nei loro nuclei. I buchi neri sarebbero quasi impossibili da trovare da soli, ma se attraggono abbastanza materiale, diventeranno più facili da rilevare. Quando cadono gas, polvere e altri materiali Buco nero Mentre si riscalda (a temperature superiori al nucleo della stella) durante il suo viaggio verso l’interno, si forma un nucleo galattico attivo (AGN). Nelle grandi galassie, i nuclei galattici attivi sono tra gli oggetti più luminosi dell’universo conosciuto. Ma nelle galassie più piccole, gli AGN possono essere molto più deboli e difficili da distinguere dalle stelle appena nate. Gli spettri catturati da DESI potrebbero aiutare a risolvere questo problema e quanto lontano si diffondono nel cielo fornirà più informazioni che mai sui nuclei delle giovani galassie. Questi nuclei, a loro volta, forniranno agli scienziati indizi su come si sono formati gli AGN nell’universo primordiale.

I quasar, un gruppo eterogeneo di galassie luminose, sono tra gli oggetti più luminosi e distanti. «Mi piace pensarli come lampioni, guardando indietro alla storia dell’universo», ha detto Victoria Fawcett, una studentessa laureata in astronomia alla Durham University nel Regno Unito. I quasar sono eccellenti sonde dell’universo primordiale a causa del loro puro potere. I dati DESI torneranno indietro nel tempo di 11 miliardi di anni.

Fawcett e i suoi colleghi utilizzano i dati DESI per comprendere l’evoluzione dei quasar stessi. Si pensa che i quasar inizino circondati da un involucro di polvere, che arrossa la luce che emettono, come il sole nella foschia. Man mano che invecchiano, espellono questa polvere e diventano più blu. Ma questa teoria è stata difficile da testare, a causa della scarsità di dati sui quasar rossi. DESI cambia che, poiché sono stati trovati più quasar rispetto a qualsiasi indagine precedente, con 2,4 milioni di quasar previsti nei dati dell’indagine finale.

«DESI è davvero fantastico perché raccoglie cose che sono più deboli e più rosse», ha detto Fawcett. Aggiunge che ciò consente agli scienziati di testare idee sull’evoluzione dei quasar che non potevano essere testate prima. E questo non si limita solo ai quasar. «Troviamo un gran numero di sistemi esotici, inclusi grandi campioni di cose rare che non siamo stati in grado di studiare in dettaglio prima», ha detto Fawcett.

C’è altro in arrivo DESI. L’indagine ha già catalogato più di 7,5 milioni di galassie e ne sta aggiungendo di più a una velocità di oltre un milione di galassie al mese. Nel solo novembre 2021, DESI ha catalogato i redshift di 2,5 milioni di galassie. Entro la fine della sua attività nel 2026, si prevede che DESI avrà più di 35 milioni di galassie nel suo catalogo, consentendo una vasta gamma di ricerche in cosmologia e astrofisica.

«Tutti questi dati sono lì e aspettano solo di essere analizzati», ha detto Bucha. «E poi troveremo molte cose straordinarie sulle galassie. Per me, è eccitante».

Il DESI è supportato dall’Ufficio della Scienza del Dipartimento dell’Energia e dal Centro Nazionale per l’Informatica Scientifica per la Ricerca Energetica, una struttura utente dell’Ufficio della Scienza del Dipartimento dell’Energia. Ulteriore supporto per DESI è fornito dalla US National Science Foundation, dal UK Science and Technology Facilities Council, dalla Gordon and Betty Moore Foundation, dalla Heising-Simons Foundation, dalla Commissione francese per l’energia alternativa e atomica (CEA), dalla National Science e Technology Council of Mexico, il Ministero dell’Economia spagnolo, le istituzioni membri del DESI.

La DESI Collaboration ha l’onore di permettergli di condurre ricerche scientifiche sul monte Iolkam Du’ag (Kitt Peak), una montagna di particolare interesse per la nazione di Tohono O’odham.