Powstanie największa w historii mapa wszechświata z 30 milionami galaktyk!

40 lat temu powstała pierwsza legendarna mapa wszechświata. Dziś naukowcy chcą wnieść w ten obszar badań nową jakość. Powstanie projekt największego dotychczas przedstawienia położenia obiektów we wszechświecie. Naukowcy z CfA planują utworzenie mapy zawierającej aż 30 milionów galaktyk.

W tym największym jak dotąd projekcie tego typu, międzynarodowy zespół naukowców wykorzystuje dane zebrane przez DESI. Dark Energy Spectroscopic Instrument zamontowany jest na teleskopie w Kitt Peak National Observatory w Arizonie, skąd przeszukuje niebo w poszukiwaniu wszelkiego rodzaju obiektów. Obserwacje potrwają aż pięć lat. Tyle czasu zajmie przestudiowanie nieboskłonu i naniesienie obiektów na mapę.

Celem misji nie jest jedynie poznanie wyglądu wszechświata. Naukowcy liczą, że pomoże im ona uzyskać odpowiedzi na nurtujące pytania z dziedziny kosmologii. Na przykład, jak grawitacja powoduje zbieranie się materii i tworzenie galaktyk, jak we wczesnym wszechświecie formowały się wielkoskalowe struktury. Ponadto od 20 lat wiadomo, że wszechświat nie tylko się rozszerza, ale też robi to coraz szybciej. Naukowcy chcą się przekonać, co napędza zagadkowe przyspieszenie ekspansji wszechświata.

Początki kosmicznej kartografii – pierwsze mapy wszechświata

W 1983 roku astrofizycy z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics skonstruowali mapę kosmosu, która zawierała prawie 2,5 tys. galaktyk. Jak na tamte czasy było to niezwykłe osiągnięcie. Pierwsze systematyczne obserwacje, które zostały zakończone opracowaniem mapy nieba, poprowadzili Marc Davis, John Huchra, Dave Latham i John Tonry. Zespół przebadał wtedy galaktyki pod kątem przesunięcia ich blasku ku czerwieni. To zostało wykorzystane do obliczenia ich odległości od Ziemi.

Bardziej obszerna mapa wszechświata została stworzona niedługo potem. Już kilka lat później pracownicy tego samego ośrodka zmierzyli odległość do 18 tysięcy kolejnych jasnych galaktyk. Ich mapa ukazała się na okładce czasopisma Science w listopadzie 1989 roku. Margaret Geller i John Huchra dokonali przełomu, ponieważ dowiedli, że galaktyki nie są rozłożone jednorodnie, ale gromadzą się w klasterach poprzedzielanych pustymi obszarami przestrzeni.

Mniej więcej w tym okresie wymyślono, że wszechświat można postrzegać jako zbiór baniek mydlanych wielkości milionów lat świetlnych, na których powierzchni znajdują się klastery galaktyk.

Kosmiczne bańki, klastery i inne

W jaki sposób miałyby powstać takie bańki? Podejrzane o to są ciemna materia i ciemna energia. Ich fizyczne pochodzenie pozostaje zagadką, a poznanie ich natury wymaga dalszych obserwacji. To właśnie zadanie dla DESI. Urządzenie zbudowane przy współpracy setek ludzi, sfinansowane głównie przez Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, zostało zainstalowane i obsługuje je zmodernizowany czterometrowy teleskop Mayalla. Ten instrument ma pomóc naukowcom badać przesunięcie ku czerwieni na niespotykaną dotąd skalę. Za pomocą pięciu tysięcy kontrolowanych automatycznie światłowodów DESI potrafi zbierać dane spektroskopowe z pięciu tysięcy galaktyk naraz.

Odległość do galaktyk określa się mierząc przesunięcie linii widmowych w stronę fal dłuższych. Efekt ten to tzw. przesunięcie ku czerwieni (redshift). Wszechświat się rozszerza, dlatego praktycznie wszystkie galaktyki oddalają się od nas. Tym szybciej, im dalej od nas są położone. To rozszerzanie wpływa także na długość światła, które do nas dociera, fale wysyłane przez odległe obiekty są w pewien sposób rozciągane, dlatego wyglądają jakby były dłuższe. Na przesunięcie ku czerwieni mają też wpływ ruchy własne galaktyk, ale ten efekt ma znaczenie jedynie w przypadku naszych najbliższych sąsiadów.

Ciemne, a jednak widoczne

Poprzez zebranie światła ponad 30 milionów galaktyk, DESI pomoże skonstruować dokładną mapę 3D wszechświata. Otworzy ona wgląd do kosmosu sprzed 11 miliardów lat. Pomoże lepiej poznać odpychając siłę związaną z ciemną energią, która napędza wykładnicze rozszerzanie wszechświata. Według tego, co na razie wiadomo, po powstaniu wszechświata ok. 13,7 mld lat temu kosmos rozszerzał się coraz wolniej. Natomiast ok. 7 mld lat temu jego rozszerzanie znacznie przyspieszyło. Odpowiedzialna za to jest ciemna energia, której natury nie udało się jeszcze poznać.

DESI to bardzo precyzyjny układ wykorzystujący najnowszą technologię i lata doświadczenia w wielkoskalowych obserwacjach nieba. Projekt ten jest połączeniem wyspecjalizowanej aparatury, odpowiedniego oprogramowania oraz strategii. Dzięki niemu naukowcy potrafią zbierać sygnał z galaktyk świecących 100 razy słabiej niż w projekcie Sloan Digital Sky Survey, przeglądu nieba obejmującego jak do tej pory największy zakres współrzędnych przestrzennych. Dane napływające z obserwacji na bieżąco można będzie porównywać z obecnymi teoriami i tym, co już wiemy o kosmicznych strukturach.

Na razie naukowcy korzystają z superkomputera Summit at Oak Ridge National Laboratory, aby zasymulować, w jaki sposób powstały grupy galaktyk i czy w tym procesie maczała palce ciemna energia. Badanie przesunięcia ku czerwieni może pomóc także określić, ile tak naprawdę materii znajduje się we wszechświecie i w jaki sposób ona się ze sobą grupuje.

Naukowcy oceniają, że ciemna energia stanowi około 68 proc. całego wszechświata, ciemna materia około 27 proc., a zwykła materia to zaledwie około 5 proc.

Przeczytaj też: Kosmiczne kwazikryształy na Ziemi.

Kamila Rajfur