Spektroskopisches Instrument für dunkle Energie erstellt die größte 3D-Karte des Kosmos

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Das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) hat in den ersten sieben Monaten seiner Durchmusterung alle bisherigen Rekorde für dreidimensionale Galaxiendurchmusterungen gebrochen und die bisher größte und detaillierteste Karte des Universums erstellt. Dabei ist die fünfjährige Mission erst zu etwa 10 Prozent abgeschlossen. Nach ihrer Fertigstellung wird diese phänomenal detaillierte 3D-Karte zu einem besseren Verständnis der dunklen Energie führen und damit Physikern und Astronomen ein besseres Verständnis der Vergangenheit - und der Zukunft - des Universums ermöglichen. In der Zwischenzeit helfen die beeindruckende technische Leistung und die buchstäblich kosmischen Errungenschaften der bisherigen Durchmusterung den Wissenschaftlern dabei, die Geheimnisse der stärksten Lichtquellen im Universum zu lüften.

"Es gibt viel Schönes zu sehen", sagte Julien Guy, Wissenschaftler am Berkeley Lab, einer der Referenten. "In der Verteilung der Galaxien auf der 3D-Karte gibt es riesige Haufen, Filamente und Leerräume. Sie sind die größten Strukturen im Universum. Aber in ihnen findet man einen Abdruck des sehr frühen Universums und der Geschichte seiner Expansion seither."

DESI hat einen langen Weg zurückgelegt, um diesen Punkt zu erreichen. Ursprünglich vor über einem Jahrzehnt vorgeschlagen, begann der Bau des Instruments im Jahr 2015. Es wurde am 4-Meter-Teleskop von Nicholas U. Mayall am Kitt Peak National Observatory in der Nähe von Tucson, Arizona, installiert. Das Kitt Peak National Observatory ist ein Programm des NOIRLab der National Science Foundation (NSF), mit der das Energieministerium einen Vertrag über den Betrieb des Mayall-Teleskops für die DESI-Durchmusterung abgeschlossen hat. Das Instrument wurde Ende 2019 erstmals in Betrieb genommen. Während der Validierungsphase kam es dann zu einer Coronavirus-Pandemie, die das Teleskop für mehrere Monate außer Betrieb setzte, obwohl einige Arbeiten aus der Ferne fortgesetzt wurden. Im Dezember 2020 richtete DESI seine Augen wieder auf den Himmel, testete seine Hardware und Software und war im Mai 2021 bereit, seine wissenschaftliche Durchmusterung zu beginnen.

Die Arbeit an DESI selbst endete jedoch nicht, als die Durchmusterung begann. "Es wird ständig daran gearbeitet, dass dieses Instrument funktioniert", sagt der Physiker Klaus Honscheid von der Ohio State University, der als Instrumentenwissenschaftler an dem Projekt beteiligt ist und den ersten Vortrag auf der CosmoPalooza DESI-Sitzung halten wird. Honscheid und sein Team sorgen dafür, dass das Instrument reibungslos und automatisch läuft, im Idealfall ohne jegliche Eingriffe während einer Beobachtungsnacht. "Das Feedback, das ich von den Nachtbeobachtern bekomme, ist, dass die Schichten langweilig sind, was ich als Kompliment ansehe", sagt er.

Aber diese monotone Produktivität erfordert eine unglaublich detaillierte Kontrolle über jeden der 5.000 hochmodernen Roboter, die die optischen Fasern des DESI-Instruments positionieren, um sicherzustellen, dass ihre Positionen bis auf 10 Mikrometer genau sind. "Zehn Mikrometer sind winzig", sagt Honscheid. "Das ist weniger als die Dicke eines menschlichen Haares. Und man muss jeden Roboter so positionieren, dass er das Licht von Galaxien auffängt, die Milliarden von Lichtjahren entfernt sind. Jedes Mal, wenn ich über dieses System nachdenke, frage ich mich, wie wir das wohl schaffen könnten Der Erfolg von DESI als Instrument ist etwas, auf das wir sehr stolz sein können."

Dieses Maß an Genauigkeit ist erforderlich, um die Hauptaufgabe der Durchmusterung zu erfüllen: das Sammeln detaillierter Farbspektrumbilder von Millionen von Galaxien auf mehr als einem Drittel des gesamten Himmels. Indem das Licht jeder Galaxie in sein Farbspektrum zerlegt wird, kann DESI feststellen, wie stark das Licht durch die Expansion des Universums während der Milliarden Jahre, die es unterwegs war, bevor es die Erde erreichte, zum roten Ende des Spektrums hin rotverschoben wurde. Dank dieser Rotverschiebungen kann DESI die Tiefe des Himmels erkennen.

Je stärker das Spektrum einer Galaxie rotverschoben ist, desto weiter ist sie im Allgemeinen entfernt. Mit einer 3D-Karte des Kosmos in der Hand können die Physiker Galaxienhaufen und Superhaufen kartieren. Diese Strukturen weisen ein Echo ihrer ursprünglichen Entstehung auf, als sie noch kleine Wellen im jungen Kosmos waren. Wenn die Physiker diese Echos herausfinden, können sie mit Hilfe der DESI-Daten die Expansionsgeschichte des Universums bestimmen.

Das Verständnis der Expansionsgeschichte ist von entscheidender Bedeutung, denn es geht um nicht weniger als das Schicksal des gesamten Universums. Heute bestehen etwa 70 Prozent des Inhalts des Universums aus dunkler Energie, einer geheimnisvollen Energieform, die die Expansion des Universums immer schneller vorantreibt. Während sich das Universum ausdehnt, entsteht immer mehr dunkle Energie, was die Ausdehnung weiter beschleunigt - ein Kreislauf, der den Anteil der dunklen Energie im Universum immer weiter in die Höhe treibt. Die dunkle Energie wird letztlich über das Schicksal des Universums entscheiden: Wird es sich für immer ausdehnen? Wird es wieder in sich zusammenfallen, in einem umgekehrten Urknall? Oder wird es sich selbst zerreißen? Um diese Fragen zu beantworten, muss man mehr darüber erfahren, wie sich die dunkle Energie in der Vergangenheit verhalten hat - und genau das ist die Aufgabe von DESI. Und durch den Vergleich der Expansionsgeschichte mit der Wachstumsgeschichte können Kosmologen überprüfen, ob Einsteins allgemeine Relativitätstheorie über diese riesigen Zeit- und Raumspannen hinweg Gültigkeit hat.

Um das Schicksal des Universums zu verstehen, müssen wir jedoch warten, bis DESI einen größeren Teil seiner Durchmusterung abgeschlossen hat. In der Zwischenzeit sorgt DESI bereits für einen Durchbruch in unserem Verständnis der fernen Vergangenheit, die mehr als 10 Milliarden Jahre zurückliegt, als die Galaxien noch jung waren.

Pucha und ihre Kollegen nutzen die DESI-Daten, um das Verhalten von Schwarzen Löchern mittlerer Masse in kleinen Galaxien zu verstehen. Man nimmt an, dass riesige Schwarze Löcher in den Kernen fast aller großen Galaxien wie unserer eigenen Milchstraße vorkommen. Aber ob kleine Galaxien in ihren Kernen immer ihre eigenen (kleineren) Schwarzen Löcher enthalten, ist noch nicht bekannt. Schwarze Löcher, die für sich allein stehen, können fast unmöglich zu finden sein - wenn sie jedoch genügend Material anziehen, sind sie leichter zu entdecken.

Wenn Gas, Staub und anderes Material, das in das Schwarze Loch fällt, sich auf dem Weg dorthin aufheizt (auf Temperaturen, die heißer sind als der Kern eines Sterns), entsteht ein aktiver galaktischer Kern (AGN). In großen Galaxien gehören AGNs zu den hellsten Objekten im bekannten Universum. In kleineren Galaxien können AGNs jedoch viel schwächer sein und sind schwieriger von neugeborenen Sternen zu unterscheiden. Die von DESI aufgenommenen Spektren können helfen, dieses Problem zu lösen - und die große Reichweite von DESI über den gesamten Himmel wird mehr Informationen über die Kerne kleiner Galaxien liefern als je zuvor. Diese Kerne wiederum werden den Wissenschaftlern Aufschluss darüber geben, wie helle AGNs im sehr frühen Universum entstanden sind.

Quasare - eine besonders helle Art von Galaxien - gehören zu den hellsten und am weitesten entfernten bekannten Objekten. "Ich stelle sie mir gerne als Laternenpfähle vor, die in die Geschichte des Universums zurückblicken", sagt Victoria Fawcett, eine Astronomiestudentin an der Durham University in Großbritannien. Quasare sind aufgrund ihrer schieren Größe hervorragende Sonden für das frühe Universum; die Daten von DESI werden 11 Milliarden Jahre zurückreichen.

Fawcett und ihre Kollegen nutzen die DESI-Daten, um die Entwicklung der Quasare selbst zu verstehen. Man geht davon aus, dass Quasare zu Beginn von einer Staubhülle umgeben sind, die das von ihnen ausgesandte Licht rötet, ähnlich wie die Sonne durch Dunst. Wenn sie älter werden, stoßen sie diesen Staub ab und werden blauer. Bisher war es jedoch schwierig, diese Theorie zu überprüfen, da es nur wenige Daten über rote Quasare gibt. DESI ist dabei, dies zu ändern und mehr Quasare zu finden als jede andere Durchmusterung zuvor, wobei in den endgültigen Durchmusterungsdaten schätzungsweise 2,4 Millionen Quasare erwartet werden.

"DESI ist wirklich großartig, weil es viel schwächere und viel rötere Objekte aufnimmt", sagt Fawcett. Das erlaubt es den Wissenschaftlern, Ideen über die Entwicklung von Quasaren zu testen, die vorher nicht möglich waren. Und dies ist nicht nur auf Quasare beschränkt. "Wir finden eine ganze Reihe exotischer Systeme, darunter große Mengen seltener Objekte, die wir bisher noch nicht im Detail untersuchen konnten", so Fawcett.

DESI hat noch viel vor sich. Die Durchmusterung hat bereits mehr als 7,5 Millionen Galaxien katalogisiert, und jeden Monat kommen mehr als eine Million hinzu. Allein im November 2021 hat DESI die Rotverschiebungen von 2,5 Millionen Galaxien katalogisiert. Bis zum Ende seiner Laufzeit im Jahr 2026 wird DESI voraussichtlich über 35 Millionen Galaxien in seinem Katalog haben und damit eine enorme Vielfalt an kosmologischen und astrophysikalischen Forschungsarbeiten ermöglichen.

DESI wird vom DOE Office of Science und vom National Energy Research Scientific Computing Center, einer Nutzereinrichtung des DOE Office of Science, unterstützt. Weitere Unterstützung erhält DESI von der U.S. National Science Foundation, dem Science and Technologies Facilities Council des Vereinigten Königreichs, der Gordon and Betty Moore Foundation, der Heising-Simons Foundation, der französischen Kommission für alternative Energien und Atomenergie (CEA), dem Nationalen Rat für Wissenschaft und Technologie Mexikos, dem spanischen Wirtschaftsministerium und von den DESI-Mitgliedsinstituten.