DESI crée la plus grande carte 3D de l’univers

Tomodensitométrie 3D de l’univers de DESI. La Terre est en bas à gauche, regardant à plus de 5 milliards d’années-lumière dans la direction de la constellation de la Vierge. Au fur et à mesure que la vidéo progresse, la perspective se déplace vers la constellation Bootes. Chaque point coloré représente une galaxie composée de centaines de milliards d’étoiles. La gravité a attiré les galaxies dans une « toile cosmique » d’amas denses, de filaments et de vides. Crédit : D. Schlegel/Berkeley Lab utilisant les données du DESI

instrument de spectroscopie d’énergie noireDESI) a clôturé les sept premiers mois de son enquête en brisant tous les records précédents d’enquêtes 3D sur les galaxies, créant ainsi la carte la plus grande et la plus détaillée de l’univers jamais réalisée. Cependant, il n’approche que 10% du chemin au cours de sa mission de cinq ans. Une fois terminée, cette carte 3D massivement détaillée produira une meilleure compréhension de l’énergie noire, donnant ainsi aux physiciens et aux astronomes une meilleure compréhension du passé et du futur de l’univers. Pendant ce temps, les performances techniques étonnantes et les réalisations cosmiques de l’enquête jusqu’à présent aident les scientifiques à révéler les secrets des sources de lumière les plus puissantes de l’univers.

DESI est une collaboration scientifique internationale gérée par le Laboratoire national Lawrence Berkeley du Département de l’énergie (Laboratoire de Berkeley) avec un financement de démarrage pour la construction et les opérations du Bureau des sciences du Département de l’énergie.

Les scientifiques de DESI présentent les performances de l’instrument et quelques premiers résultats d’astrophysique cette semaine lors d’un webinaire organisé par Berkeley Lab appelé CosmoPalooza, qui présentera également des mises à jour d’autres expériences cosmologiques pionnières.

« Il y a beaucoup de beauté là-dedans », a déclaré Julian Gay, un scientifique du Berkeley Lab, l’un des conférenciers. « Dans la distribution des galaxies sur la carte 3D, il y a des amas massifs, des filaments et des vides. Ce sont les plus grandes structures de l’univers. Mais en leur sein, vous trouvez une empreinte du tout premier univers et de l’histoire de son expansion. depuis. »

DESI a parcouru un long chemin pour en arriver là. Il a été initialement proposé il y a plus de dix ans et la construction de l’appareil a commencé en 2015. Il est installé dans le télescope Nicholas U Maywell de 4 mètres à l’observatoire Kate Summit près de Tucson, en Arizona. L’Observatoire national de Kitt Peak est un programme de la National Science Foundation (NSF) NOIRLab, que le ministère de l’Énergie contracte pour exploiter le télescope Mayall pour l’enquête DESI. L’instrument a vu sa première lumière fin 2019. Puis, lors de sa phase de validation, la pandémie de coronavirus a frappé et le télescope s’est arrêté pendant plusieurs mois, bien que certains travaux à distance se soient poursuivis. En décembre 2020, DESI a de nouveau tourné son regard vers le ciel, a testé son matériel et ses logiciels et, en mai 2021, était prêt à commencer son enquête scientifique.

Parcourez la carte 3D des galaxies du Sloan Digital Sky Survey.

Une tranche de la carte 3D des galaxies des premiers mois de la spectroscopie de l’énergie noire (DESI ; à droite). La Terre est située au centre et les galaxies les plus éloignées sont à plus de 10 milliards d’années-lumière d’elle. Chaque point représente une galaxie. Cette tranche 2D de la carte DESI 3D ne montre qu’environ 800 000 des 7,5 millions de galaxies actuellement scannées, ce qui en soi n’est qu’une fraction des 35 millions de galaxies qui figureront sur la carte finale. Crédit : D. Schlegel/Berkeley Lab utilisant les données du DESI

Mais le travail sur DESI lui-même n’était pas terminé une fois l’enquête commencée. « C’est un travail en cours pour que cet outil fonctionne », a déclaré le physicien de l’Ohio State University, Klaus Hünscheid, un spécialiste des machines impliqué dans le projet, qui présentera le premier article de la session CosmoPalooza DESI. Honscheid et son équipe veillent à ce que l’outil fonctionne de manière fluide et automatique, idéalement sans aucune interférence lors de la surveillance nocturne. « Les commentaires que je reçois des veilleurs de nuit sont que les quarts de travail sont ennuyeux, et je le prends comme un compliment », a-t-il déclaré.

Mais ce débit monotone nécessite un contrôle incroyablement détaillé de chacun des 5 000 robots sophistiqués qui placent les fibres optiques sur l’instrument DESI, garantissant que leurs positions sont précises à 10 microns près. « Dix microns, c’est très petit », a déclaré Honshed. « C’est moins que l’épaisseur d’un cheveu humain. Et vous devez installer chaque robot pour collecter la lumière des galaxies situées à des milliards d’années-lumière. Chaque fois que je pense à ce système, je me demande comment on peut y arriver ? Le succès de DESI en tant qu’outil est quelque chose dont nous pouvons être fiers. »

Voir les vraies couleurs de l’énergie noire

Ce niveau de santé Il est nécessaire pour accomplir la mission principale de l’enquête : collecter des images détaillées du spectre de couleurs de millions de galaxies sur plus d’un tiers de l’ensemble du ciel. En décomposant la lumière de chaque galaxie dans leur spectre de couleurs, DESI peut quantifier le décalage vers le rouge de la lumière – étiré vers l’extrémité rouge du spectre par l’expansion de l’univers au cours des milliards d’années qu’il a parcourues avant d’atteindre la Terre. Ce sont ces décalages vers le rouge qui font que DESI voit la profondeur du ciel.

Plus le décalage vers le rouge du spectre de la galaxie est grand, plus il s’en éloigne. Avec une carte 3D de l’univers en main, les physiciens peuvent cartographier des amas et des superamas de galaxies. Ces structures portent des échos de leur formation initiale, lorsqu’elles n’étaient que des ondulations dans l’univers naissant. En déclenchant ces échos, les physiciens peuvent utiliser les données DESI pour déterminer l’histoire de l’expansion de l’univers.

Le nouveau quasar découvert avec DESI donne un aperçu de l’univers tel qu’il était il y a près de 13 milliards d’années, moins d’un milliard d’années après le Big Bang. Il s’agit du quasar DESI le plus éloigné détecté à ce jour, parmi une sélection de quasars DESI à redshift extrêmement élevé. L’arrière-plan montre ce quasar et ses environs dans les relevés de photogrammétrie hérités DESI. Crédit : Jenny Yang, Steward Observatory/Université de l’Arizona

Notre objectif scientifique est de mesurer l’empreinte des ondes dans le primordial plasmaa dit Guy. « C’est incroyable que nous puissions réellement détecter l’effet de ces ondes après des milliards d’années, et si rapidement dans notre enquête. »

Comprendre l’histoire de l’expansion est crucial, car rien de moins que le destin de l’univers entier est en jeu. Aujourd’hui, environ 70 % du contenu de l’univers est constitué d’énergie noire, une forme mystérieuse d’énergie qui accélère l’expansion de l’univers. Au fur et à mesure que l’univers s’étend, plus d’énergie noire apparaît, accélérant encore l’expansion, dans un cycle qui pousse une partie de l’énergie noire de l’univers vers le haut. L’énergie noire déterminera finalement le destin de l’univers : s’étendra-t-elle pour toujours ? Va-t-il s’effondrer à nouveau sur lui-même, dans le Big Bang en arrière? Ou va-t-elle se déchirer ? Répondre à ces questions signifie en savoir plus sur la façon dont l’énergie noire s’est comportée dans le passé – et c’est exactement pour cela que DESI a été conçu. Et en comparant l’histoire de l’expansion avec l’histoire de la croissance, les cosmologistes peuvent vérifier si la théorie de la relativité générale d’Einstein tient le coup sur ces énormes étendues d’espace et de temps.

Trous noirs et galaxies brillantes

Mais comprendre le destin de l’univers doit attendre que DESI achève son étude. Pendant ce temps, DESI est déjà à l’origine de percées dans notre compréhension du passé lointain, il y a plus de 10 milliards d’années, lorsque les galaxies étaient encore jeunes.

« C’est vraiment incroyable », a déclaré Ragadeepika Pucha, un étudiant diplômé en astronomie de l’Université de l’Arizona travaillant sur DESI. « DESI nous en dira plus sur la physique de la formation et de l’évolution des galaxies. »

Pucha et ses collègues utilisent les données DESI pour comprendre le comportement des trous noirs de masse moyenne dans les petites galaxies. On pense que les trous noirs supermassifs habitent le cœur de presque toutes les grandes galaxies, comme la nôtre Voie Lactée. Mais que les petites galaxies aient ou non toujours leurs propres trous noirs (plus petits) dans leur noyau. Les trous noirs seraient presque impossibles à trouver par eux-mêmes – mais s’ils attirent suffisamment de matière, ils deviendront plus faciles à détecter. Lorsque du gaz, de la poussière et d’autres matériaux tombent dans Trou noir Au fur et à mesure qu’il se réchauffe (à des températures supérieures au noyau de l’étoile) sur son chemin vers l’intérieur des terres, un noyau galactique actif (AGN) se forme. Dans les grandes galaxies, les noyaux galactiques actifs comptent parmi les objets les plus brillants de l’univers connu. Mais dans les galaxies plus petites, les AGN peuvent être beaucoup plus faibles et difficiles à distinguer des étoiles naissantes. Les spectres capturés par DESI pourraient aider à résoudre ce problème – et la distance à laquelle ils se propagent dans le ciel fourniront plus d’informations que jamais sur les noyaux des jeunes galaxies. Ces noyaux, à leur tour, donneront aux scientifiques des indices sur la façon dont les AGN se sont formés dans l’univers primitif.

Les quasars – un groupe diversifié de galaxies brillantes – sont parmi les objets les plus brillants et les plus éloignés. « J’aime les considérer comme des lampadaires, revenant sur l’histoire de l’univers », a déclaré Victoria Fawcett, étudiante diplômée en astronomie à l’Université de Durham au Royaume-Uni. Les quasars sont d’excellentes sondes de l’univers primitif en raison de leur puissance. Les données DESI remonteront dans le temps de 11 milliards d’années.

Fawcett et ses collègues utilisent les données DESI pour comprendre l’évolution des quasars eux-mêmes. On pense que les quasars sont initialement entourés d’une enveloppe de poussière, qui rougit la lumière qu’ils émettent, comme le soleil à travers la brume. En vieillissant, ils expulsent cette poussière et deviennent plus bleus. Mais cette théorie a été difficile à tester, en raison du manque de données sur les quasars rouges. DESI change cela, car plus de quasars ont été trouvés que n’importe quelle enquête précédente, avec 2,4 millions de quasars attendus dans les données finales de l’enquête.

« DESI est vraiment génial car il capte les choses qui sont plus faibles et plus rouges », a déclaré Fawcett. Elle ajoute que cela permet aux scientifiques de tester des idées sur l’évolution des quasars qui ne pouvaient pas être testées auparavant. Et cela ne se limite pas aux quasars. « Nous trouvons un très grand nombre de systèmes exotiques, y compris de grands échantillons de choses rares que nous n’avons pas pu étudier en détail auparavant », a déclaré Fawcett.

Il y a plus à venir DESI. L’enquête a déjà répertorié plus de 7,5 millions de galaxies et en ajoute plus à un rythme de plus d’un million de galaxies par mois. Rien qu’en novembre 2021, DESI a catalogué les décalages vers le rouge de 2,5 millions de galaxies. D’ici la fin de son exploitation en 2026, DESI devrait avoir plus de 35 millions de galaxies dans son catalogue, permettant un vaste éventail de recherches en cosmologie et en astrophysique.

« Toutes ces données sont juste là, et elles attendent juste d’être analysées », a déclaré Bucha. « Et puis nous découvrirons beaucoup de choses étonnantes sur les galaxies. Pour moi, c’est excitant. »

Le DESI est soutenu par le Bureau des sciences du Département de l’énergie et le Centre national de calcul scientifique pour la recherche énergétique, une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département de l’énergie. Le DESI bénéficie d’un soutien supplémentaire de la US National Science Foundation, du UK Science and Technology Facilities Council, de la Fondation Gordon et Betty Moore, de la Fondation Heising-Simons, du Commissariat français à l’énergie alternative et atomique (CEA), du National Science and Technology Conseil technologique du Mexique, ministère de l’Économie espagnol, institutions membres du DESI.

DESI Collaboration a l’honneur de lui permettre de mener des recherches scientifiques sur le mont Iolkam Du’ag (Kitt Peak), une montagne d’un intérêt particulier pour la nation de Tohono O’odham.