Magyar kutató részvételével deríti fel a titokzatos sötét energiát a DESI
A nemrég Budapesten járt Nobel-díjas asztrofizikusnak, Adam Riessnek és kollégáinak köszönhetően az 1990-es évek vége óta tudjuk, hogy az univerzum egyre gyorsabban tágul, és ezt azóta több független mérés is megerősítette. A tágulásért a titokzatos sötét energia felel, aminek természete a tudomány egyik legnagyobb rejtélye. Ezen próbál segíteni az égboltot pásztázó sötétenergia-színképelemző műszer (Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI), aminek korai adatait múlt héten adták ki.
A DESI képes lehet kimutatni, ha a sötét energia az univerzum korával változik, mondta a Qubitnek Kovács András, az MTA-CSFK Lendület Nagyskálás Szerkezet Kutatócsoport vezetője. A korábban a Kanári-szigeteki Asztrofizikai Intézetben (IAC) dolgozó szakember a tudományos kollaboráció tagja, és két, a kezdeti validációs adatgyűjtési időszakról kiadott fő tanulmány társszerzője. Kovács még legalább ebben az évben résztvevője marad a 2021-ben 5 éves égboltfelmérésbe vágó színképelemző műszer tudományos csapatának, később pedig a DESI nyíltan hozzáférhető adataival dolgozik majd.
A DESI, aminek spektrográfját az arizonai Kitt Peak Nemzeti Obszervatóriumban található Mayall teleszkópra szerelték fel, adatainak részletességében és a nagy kozmikus távolságok precíz meghatározását célzó spektroszkópiai fókusza miatt különbözik más nagy égboltfelmérési vállalkozásoktól, mondta a kutató. Az európai Gaia űrtávcső, bár végez spektroszkópiai méréseket, elsősorban objektumok precíz helyzetét kívánja meghatározni, míg a Chilében épülő Vera Rubin Obszervatórium (LSST) kizárólag fotometriai méréseket folytat majd, amikkel időbeli és fényességváltozásokat fog keresni. Utóbbi a távoli galaxisok képeinek apró torzulásaiból a körülöttük található sötét anyag eloszlását is pontosan rekonstruálni tudja majd a gravitációs lencsehatásuk révén. Kovács szerint mindez azt is mutatja, hogy a jelenleg futó égboltfelmérések jól kiegészítik egymást.
Több tízmillió galaxis és kvazár precíz távolságát határozza majd meg, amiből 3D-s térkép készíthető
A DESI közel 30 millió előre kiválasztott galaxist, valamint távoli, fényes aktív galaxismagokat, kvazárokat figyel majd meg az égbolton. A galaxisok között fényes vöröses galaxisokat (luminous red galaxies, LRG), valamint emissziós vonalakat tartalmazó galaxisokat (emission line galaxies, ELG) vizsgál majd elsősorban. A megfigyelések fő célja, mondta Kovács, hogy rekonstruálni lehessen a galaxisok kozmikus hálójában, azaz a legnagyobb ismert méretskálán, hogy miként alakult az anyag csomósodása az univerzum eddigi történetében. Ehhez a kutatók színképük alapján meghatározzák majd a megfigyelt galaxisok és kvazárok vöröseltolódását, a fény hullámhosszának az univerzum tágulásával végbemenő növekedését, amiből aztán meg lehet határozni az objektumok távolságát, és háromdimenziós térképek készülhetnek a Tejútrendszert körülvevő galaxiseloszlásról.
Tavaly az egész vállalkozás veszélybe került, mondta Kovács, amikor egy hatalmas erdőtűz elérte a Kitt Peak Nemzeti Obszervatóriumot. A New York Times szerint csak az mentette meg a hegytetőn található teleszkópokat és a DESI-t a megsemmisüléstől, hogy a tűzoltók eltávolították a környékről az éghető anyagot, ugyanakkor négy másik, lakóhelységként használt épület így is a lángok martalékává vált. Szerencsére néhány hét leállás és a műszerek megtisztítása után 2022 szeptemberében a DESI újra tudott indulni, és csak minimális kár keletkezett benne.
Ha az univerzumban távolabbra nézünk, egyre korábbi állapotukban láthatjuk a galaxisokat, mivel megfigyelt fényük már akár évmilliárdok óta utazik felénk. A DESI által érzékelt 2-3 vöröseltolódás értékű kvazárok a 13,7 milliárd éves univerzum 3-4 milliárd éves állapotába adnak betekintést, és közelebb vannak hozzánk, mint a James Webb űrtávcső (JWST) által észlelhető, akár 10-15-ös vöröseltolódású távoli objektumok, így jóval több idejük is volt fejlődni, mondta Kovács.
A JWST által látott korai galaxisok és középpontjukban található szupermasszív fekete lyukak, amint arról a kutatóval korábban beszéltünk, már néhány százmillió évvel az ősrobbanás után elég fejlettnek tűnnek. Kovács szerint míg a DESI az égbolt jelentős részét lefedi majd méréseivel, a JWST egy-egy régióra koncentrál, és könnyen tud reagálni, ha más műszerek azt mutatják, hogy valahol valami érdekes történik. Az asztrofizikus szerint ugyanakkor ha egyre több JWST-mérésből az jön ki, hogy a jelenlegi Lambda-CDM kozmológiai modell nem írja le pontosan a korai univerzumot, el lehet gondolkodni, hogy mi az, amit a DESI-vel is még érdemes lenne vizsgálni.
Előre ki kell választani az ígéretes objektumokat
A műszer 5 évre tervezett üzemideje alatt az égbolt egyharmadát, tizennégyezer négyzetfokot fog megfigyelni, mondta a kutató. Ezt a területet a teleszkóp földrajzi helye miatt nagyrészt az északi égbolt dominálja, és többé-kevésbé elkerüli saját galaxisunk, a Tejútrendszer síkját. A kollaboráción belül ugyanakkor van tejútrendszerbeli objektumokkal foglalkozó kutatócsoport is, amelynek tagjai azért lobbiznak, hogy mindig készüljön néhány megfigyelés az őket érdeklő, viszonylag közelebbi objektumokról is. Kovács szerint már az nagy dolog, hogy a DESI a tesztfázisban összehangoltan működött, és jó minőségű adatokat produkált viszonylag sok objektumról. A műszer 5000 optikai kábellel végez párhuzamosan spektroszkópiai méréseket, ami alatt egy galaxisról akár néhány tízezer adatpontot is begyűjt.
Ezek mindig egy kétlépcsős folyamat eredményei, a spektroszkópiai méréseket ugyanis fényességmérési megfigyelések előzik meg, amiket a DESI egy másik műszere végez. Kovács szerint lényegében képekből kell előre kiválogatni a galaxisoknak vagy kvazároknak azt a hányadát, ami elég fényes ahhoz, hogy megfigyelése jól használható spektrumokat eredményez. Ehhez fontos támpont a hozzávetőleges vöröseltolódásuk is, ami már a fotometriai mérésekből nagyjából meghatározható. Ezt a válogatást gépi tanulást alkalmazó algoritmusok végzik, amiknek a tesztelési időszak alatt közel egy évig tartott a kalibrációja és validációja.
Az asztrofizikus ebben a kalibrációs folyamatban is részt vett, ami éppen a koronavírusjárvány miatti lezárások időszakára esett. Ekkor a kollaboráció résztvevői közül sokan tréningvideók alapján elkezdtek több ezer objektumról készült spektrumokat nézegetni, és szemmel ellenőrizni az adatok minőségét, köztük a becsült vöröseltolódás pontosságát is, amit megfelelően felcímkézett tanítóadatok nélkül az automatikus szoftver könnyen elronthat, ha mondjuk egy galaxishoz látszólag közel van egy csillag is. A kutató szerint az adatok elemzésénél a közeli és távoli objektumok összekeverhetőségét statisztikailag figyelembe kell venni, amihez a tesztidőszak alatt modelleket készítettek.
A vizuális ellenőrzési folyamatot bemutató ábrán Kovács szerint az látható, hogy az emberi megfigyelők 0-tól 4-es skálán hogyan osztályozták az adott kvazár spektrumokat (VI quality), amikre mind van egy-egy példa. Jobb oldalt láthatók a fotometriai előfelmérés képei, amik alapján kiválasztották az objektumokat, a bal oldali grafikonok pedig fekete színnel a spektrumot, szürkével a zajt jelenítik meg. A spektrumban kivehetők a kvazárokra jellemző emissziós vonalak, amik jobbra-balra tolódásából kiszámolható a vöröseltolódás. Az ábra legfelső, 4-esre értékelt része a tisztán kivehető csúcsokkal Kovács szerint a legjobb minőségű DESI-adatokat jeleníti meg.
A spektrumok nézegetése rengeteg munkával járt, de jó összekötő kapocsnak bizonyult, és kitágította azt a szűk keresztmetszetet, amit a kis számú, szakemberek által ellenőrzött kalibrációs mérés okozott volna. Az algoritmus ugyanakkor ezután már hatékony volt és kevésszer lőtt mellé, és az egész kalibráció olyan jól sikerült, hogy a tervezettnél gyorsabban halad a felmérés, aminek tesztfázisából egy 80 terabájtos adatbázist adtak ki.
A kutatóknak ugyanakkor nem kell ilyen hatalmas adatmennyiséggel dolgozniuk, mert a legérdekesebb célpontokat már a galaxisokról különböző színszűrőkkel készült, az objektumok kiválasztásához használt képekből ki lehet válogatni, mivel az nagyjából megadja vöröseltolódásukat, így kozmikus távolságokat is. A DESI optikai kábeleinek egy részét mindig olyan, úgynevezett standard csillagokra irányítják, amiknek ismert a fényessége, így egyfajta kalibrációt tesznek lehetővé a kozmikus távolságlétrán. De „pont ebben a tesztfázisban nagyobb volt a szabadság, hogy használják ezt az ötezer optikai kábelt” – mondta Kovács, ami azt jelentette, hogy tejútrendszerbeli vagy közeli galaxisokban található csillagokat is vizsgáltak vele, és így jött a képbe az Androméda-galaxis körüli csillagok tanulmányozása is.
De hogyan vizsgálja a sötét energiát?
A kozmológusok az anyag kozmikus skálákon történő eloszlásának leírására tipikusan korrelációs függvényeket használnak, mondta Kovács, ami megadja, hogy mekkora annak a valószínűsége, hogy egy megfigyelt galaxis mellett egy másikat is találnak tőle valamekkora szögtávolságra, ami a két objektum közötti Földről látszó távolságot fejezi ki. Kovács szerint a lényeg, hogy ezek galaxisokra vagy kvazárokra történő meghatározásához tiszta adatok és megfelelő szimulációs háttér kellenek, amiből aztán különböző módokon lehet kozmológiai információt kinyerni.
Amikor nagyobb vöröseltolódású, azaz a fiatalabb világegyetemet reprezentáló kvazároktól a kisebb vöröseltolódású, idősebb galaxisok megfigyelésével haladunk a mai, sötét energia által dominált univerzum felé, a gravitációs hatására nőnek a különbségek (fluktuációk) aközött, hogy szomszédos régiókban hány galaxis van, mondta Kovács. Ebből ki lehet olvasni, hogy mennyi sötét anyagnak kell lennie a galaxisok körül, hogy ezt a galaxisok által alkotott csomósodást vagy pókhálós szerkezetet fenntartsa, valamint azt is, hogy ezt a modellek alapján mennyi sötét energia ellensúlyozza. Az asztrofizikus szerint bár a sötét energia az univerzum tágulásának gyorsításáért felel, más szempontból lassítja ezeknek a galaxisok által alkotott struktúráknak a növekedését, amik hiányában még nagyobbak lennének.
A DESI két kozmológiai hatást mér majd. Egyrészt a korai univerzumból hátramaradt karakterisztikus méretskálát, az úgynevezett barionikus akusztikus oszcillációkat, amikről Kovács szerint tudjuk, hogy körülbelül 500 millió fényéves méretskálán detektálhatók. Így a DESI-vel meg lehet nézni, hogy a közelebbi galaxisok vagy a távolabbi kvazárok 3D eloszlásában ezek ténylegesen mekkora szög alatt látszanak, ami kalibrációs eszközt ad a kutatók kezébe az univerzum tágulásának vizsgálatára. A másik irány a vöröseltolódásban megfigyelhető torzulások (redshift space distortion) vizsgálata, mondta Kovács. A galaxisokról mért vöröseltolódás ugyanis nem csak a tőlünk lévő távolságukat megadó kozmológiai vöröseltolódásból áll, hanem abból is, hogy hogyan mozognak nagy sebességgel galaxishalmazokban a gravitáció hatására. Emiatt attól függően, hogy közelít felénk, vagy távolodik tőlünk egy objektum, kissé torzult vöröseltolódást mérünk, ami szintén függ egyes kozmológiai paraméterektől, így vizsgálhatóvá teszi őket.
Mindebből a DESI-vel Kovács szerint a korábbiaknál nagyobb precizitással meg lehet majd határozni, hogyan aránylik a sötét energia nyomása a sűrűségéhez, ami a kozmológiai állandós sötétenergia-modell szerint -1-es értékű. Ebben a modellben a kezdetben nem igazán számottevő sötét energia az univerzum öregedésével konstans marad, mondta Kovács. De mivel a többi komponens, a sugárzás, a barionos anyag és a sötét anyag adott térfogatra mért sűrűsége az univerzum tágulása miatt folyamatosan csökken, a sötét energia részaránya lassan, de folyamatosan nő a „kozmikus energiaháztartásban”, és ma már dominálja azt. Ha a kutatók azt látnák, hogy alacsony vagy magas vöröseltolódáson nem konzisztens a DESI méréseinek eredménye a modellel, akkor az asztrofizikus szerint valószínűleg fel kell adni azt az álláspontot, hogy a sötét energia nem változik időben.
A nagy kozmikus struktúrák vizsgálata is segíthet kozmológiai kérdések megválaszolásában
Kovács hatalmas, háromdimenziós kozmikus struktúrák, szuperhalmazok, valamint az átlagosnál kevesebb galaxist tartalmazó voidok kutatásával foglalkozik. A voidok vizsgálata is segít kozmológiai kérdések megválaszolásában a szakember szerint, különösen azért, mert látható és sötét anyag hiányában az univerzum ezen részein relatív értelemben több a sötét energia, így direktebben tanulmányozható, és hamarabb kiderül, ha valami nem stimmel a modelljeinkkel. Az univerzumban messze visszatekintő DESI a kutató szerint már elég ilyen nagy struktúrát észlel majd ahhoz, hogy lehetséges legyen statisztikailag tesztelni, valójában mennyire homogén és izotróp az univerzum.
Kovács az elmúlt években olyan, a DESI-hez készülő szimulációkon dolgozott, amik azt becsülték meg, hogy milyen hatékonysággal lehet kozmikus voidokat azonosítani. Mint elmondta, azért is érdekelte a részvétel a kollaborációban, mert a végén összeálló kvazár-adathalmaz az eddigi legjobb lesz. Azt reméli, hogy ez segít választ adni olyan kérdéseire, mint hogy a kozmikus voidok és szuperhalmazok úgy fejlődnek-e és olyan ütemben jönnek-e létre, ahogy azt a standard elmélet jósolja.
„Azt láttuk, hogy alacsonyabb vöröseltolódáson, ezek [a milliárd fényév méretű szuper-struktúrák], mintha egy kicsit nagyobb hatással lennének például a rajtuk átjövő kozmikus háttérsugárzás fotonjaira” – mondta az asztrofizikus. Ezért azt a nagyon gyenge jelet szeretnék majd vizsgálni, ami abból marad, hogy ezek a struktúrák mennyire melegítik fel vagy hűtik le az ősrobbanás után 380 ezer évvel létrejövő kozmikus háttérsugárzást (Cosmic Microwave Background Radiation, CMBR). Kovács szerint erre csak a felmérés vége felé lesz lehetőség, amikor már legalább 10 ezer négyzetfoknyi adat összegyűlik. Mivel a korábban a kutató által vizsgált, 1,8 milliárd fényév széles Eridanus szupervoid csak a Föld déli féltekéjéről figyelhető meg rendesen, a DESI-vel nem lesz tanulmányozható. Ennek ellenére a kutató reméli, hogy egy hasonló ausztráliai égboltfelmérő spektrográf műszer, a UK Schmidt teleszkópon elhelyezett TAIPAN adataival ez megoldható lehet, és akkor precízen meg tudják határozni a szupervoid galaxisainak háromdimenziós pozícióját.
Kovács szerint egyes kollégái már tervezik a DESI 2-t, a meglévő infrastruktúra újrafelhasználását és fejlesztését, a tervek szerint 2026-ban véget érő megfigyelések után. Az asztrofizikus szerint ezeknek célja az lehet, hogy valamennyire befedjék a hézagot a DESI által elérhető vöröseltolódási értékek és a James Webb-el látható nagyon korai galaxisok között, például 4-es, vagy 5-ös vöröseltolódású galaxisok vizsgálatával.
Kapcsolódó cikkek a Qubiten:
Kapcsolódó cikkek
Mi van ott, ahol nincs semmi?
Az exobolygók légkörének vizsgálatával a nem túl távoli jövőben felfedezhetünk egy életet hordozó bolygót
