Highlight

L'instrument espectroscòpic per la energia fosca (DESI) crea el mapa tridimensional més gran del cosmos

January 13, 2022

DESI ja ha cartografiat més galàxies que tots els estudis tridimensionals anteriors combinats, i tot just està començant. Al projecte hi participen diverses institucions espanyoles, IFAE, ICE-CSIC, ICCUB, CIEMAT i IFT/UAM

Kitt Peak National Observatory

L’Instrument Espectroscòpic per a l’Energia Fosca (DESI, per les sigles en anglès) ha completat els primers 7 mesos d’observació superant tots els estudis anteriors de cartografiat tridimensional de galàxies. Transcorreguts només un 10% dels cinc anys d’observació previstos, DESI ja ha aconseguit crear el mapa més gran i detallat de l’univers fins ara.

Un cop completat el projecte DESI, aquest mapa tridimensional, amb un detall sense precedents, ajudarà a estudiar l’energia fosca i una millor comprensió del passat i el futur de l’univers. Mentrestant, l’impressionant rendiment tècnic i els èxits de DESI fins ara estan ajudant la comunitat científica a revelar els secrets de les fonts de llum més poderoses de l’univers.

A slice through the 3-D map of galaxies DESI
Un tall a través del mapa tridimensional de galàxies de l'Sloan Digital Sky Survey (esquerra) i dels primers mesos de l'Instrument Espectroscòpic d'Energia Fosca (DESI; dreta). La terra és al centre i les galàxies més llunyanes mostrades són a distàncies de 10 mil milions d'anys llum. Cada punt representa una galàxia. Aquesta versió preliminar del mapa DESI mostra només 400.000 dels 35 milions de galàxies que estaran al mapa final. Credit: D. Schlegel/Berkeley Lab using data from DESI

DESI és una col·laboració científica internacional gestionada pel Laboratori Nacional Berkeley, del Departament d’Energia dels Estats Units (Berkeley Lab) en què participen diverses institucions espanyoles.

Els científics de DESI presenten el rendiment de l’instrument i alguns resultats astrofísics preliminars durant diversos seminaris especials a la xarxa, que també inclouran la presentació de l’estat actual d’altres experiments cosmològics capdavanters.

“DESI va començar a mesurar les distàncies a galàxies al març 2021 i en aquests mesos ha aconseguit superar en nombre tots els cartografiats anteriors. Amb el sistema que té el telescopi de 5000 fibres robòtiques estem augmentant la precisió cosmològica fins a límits mai vists abans” comenta la investigadora de la Universitat Autònoma de Madrid, Violeta González Pérez.

“És molt emocionant”, comenta Marc Manera, investigador a l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) a Barcelona, “podem fer un mapa molt detallat de la distribució de galàxies en tres dimensions, i veiem la seva estructura en filaments, cúmuls i zones buides. DESI ha recorregut un llarg camí per arribar a aquest punt. Només per obtenir i validar les imatges d’on se seleccionen les galàxies triguem més de cinc anys”.

Tomografia axial computada tridimensional de l’Univers feta per DESI. La terra és a la part inferior esquerra, mirant cap a les constel·lacions de Verge, Serpens i Hèrcules a distàncies superiors als 5.000 milions d’anys llum. A mesura que avança aquest vídeo, el punt de vista es desplaça 20 graus cap a les constel·lacions Bootes i Corona Borealis. Cada punt de color representa una galàxia, que es compon de 100 mil milions a 1 bilió d’estrelles. La gravetat ha agrupat les galàxies en estructures anomenades ’teranyina còsmica’, amb densos cúmuls, filaments i buits.(Crèdit de la imatge: D. Schlegel/Berkeley Lab using data from DESI)

Tomografia axial computada tridimensional de l’Univers feta per DESI. La terra és a la part inferior esquerra, mirant cap a les constel·lacions de Verge, Serpens i Hèrcules a distàncies superiors als 5.000 milions d’anys llum. A mesura que avança aquest vídeo, el punt de vista es desplaça 20 graus cap a les constel·lacions Bootes i Corona Borealis. Cada punt de color representa una galàxia, que es compon de 100 mil milions a 1 bilió d’estrelles. La gravetat ha agrupat les galàxies en estructures anomenades ’teranyina còsmica’, amb densos cúmuls, filaments i buits.(Crèdit de la imatge: D. Schlegel/Berkeley Lab using data from DESI)

El projecte DESI es va proposar fa més d’una dècada i la construcció de l’instrument va començar el 2015. Es va instal·lar al telescopi de 4 metres Nicholas U. Mayall a l’Observatori Nacional Kitt Peak prop de Tucson (Arizona, Estats Units) i l’instrument va veure la primera llum a finals del 2019. La pandèmia de coronavirus va mantenir el telescopi tancat diversos mesos, fins que el desembre del 2020 DESI va tornar a mirar al cel per provar el seu maquinari i programari. El maig de 2021 DESI estava llest per començar les observacions.

Però la feina sobre DESI no va acabar quan van començar les observacions. És un instrument complex que requereix un treball continu perquè rendeixi adequadament. L’equip encarregat de l’instrument s’assegura que funcioni bé i automàticament, idealment sense cap intervenció durant les observacions nocturnes. Aquestes observacions arriben a ser fins i tot avorrides, segons comenten els científics. Tanmateix aquesta productivitat monòtona requereix un control increïblement detallat sobre els 5000 robots de nova generació que col·loquen les fibres òptiques de l’instrument de DESI, garantint que les posicions siguin correctes amb menys de 10 micres d’error; “La precisió de l´apuntat és impressionant”, explica Otger Ballester, enginyer a l´Institut de Física d´Altes Energies (IFAE), a Barcelona, ​​que ha treballat en la construcció de les unitats d´autoguiat i enfocat de DESI, “És menys que gruix d’un full de paper. Els nostres sistemes d’autoguiat han d’ajudar a posicionar l’instrument de manera que pugueu recollir la llum de les galàxies que són a més de mil milions d’anys llum de nosaltres. La construcció d’aquests sistemes ha estat complicada, però l’èxit de l’instrument demostra que l’esforç ha valgut la pena i fa sentir el nostre equip molt orgullós.”

Part dels 5000 ulls de fibra òptica de DESI en funcionament. Els posicionadors de fibra robòtica es poden veure movent-se al voltant de la seva àrea de rastreig. Les pròpies fibres estan retroil·luminades amb llum blava perquè les seves posicions puguin mesurar-se amb la càmera Fiber View.(Crédito de la imagen: Claire Poppett/DESI Collaboration)

Part dels 5000 ulls de fibra òptica de DESI en funcionament. Els posicionadors de fibra robòtica es poden veure movent-se al voltant de la seva àrea de rastreig. Les pròpies fibres estan retroil·luminades amb llum blava perquè les seves posicions puguin mesurar-se amb la càmera Fiber View.(Crédito de la imagen: Claire Poppett/DESI Collaboration)

“És molt gratificant constatar que la feina que has dedicat perquè l’instrument apunti adequadament serveix per revelar els secrets de l’univers” comenta Santiago Serrano de l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC) i de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), a Barcelona, que ha dissenyat el programari d’autoguiat de l’instrument.

Els veritables colors de l’energia fosca

Aquest nivell de precisió és necessari per aconseguir la tasca principal del cartografiat: recopilar espectres de milions de galàxies a més d’un terç de tot el cel. En descompondre la llum de cada galàxia al seu espectre de colors, DESI pot determinar quan s’ha desplaçat la llum al vermell, és a dir, quan s’ha estirat l’espectre cap a l’extrem vermell a causa de l’efecte de l’expansió de l’univers durant els milers de milions d’anys que la llum va viatjar abans d’arribar a la Terra i ser observada. Aquests desplaçaments al vermell permeten a DESI veure la profunditat del cel i crear un mapa tridimensional. Com més desplaçat al vermell hi ha l’espectre d’una galàxia, en general, més lluny és la galàxia.

Amb un mapa tridimensional del cosmos a la mà, els físics poden traçar cúmuls i supercúmuls de galàxies. Aquestes estructures porten ressons de la seva formació inicial, quan eren només ones al cosmos primordial. En detectar aquests ecos, els físics poden fer servir les dades de DESI per determinar la història d’expansió de l’univers.

“És increïble com estudiant la distància entre les galàxies més llunyanes podem aprendre de la física de l’Univers microscòpic al seu naixement” comenta Santiago Ávila, investigador de l’Instituto de Física Teorica de Madrid. “En aquests mapes hi ha amagades pistes clau per entendre la física durant la primera fracció de segon de vida de l’univers”.

“Un dels objectius científics fonamentals de DESI és mesurar la història de l´expansió de l´univers”, diu Eusebio Sánchez, del CIEMAT, a Madrid. “És sorprenent la capacitat del projecte, que ja en una fase tan primerenca permet obtenir resultats científics per entendre l’univers. ”.

Entendre la història de l’expansió és crucial, ni més ni menys que el destí de l’univers sencer en joc. Avui dia, al voltant del 70% del contingut de l’univers és energia fosca, una forma d’energia misteriosa que fa que l’expansió de l’univers sigui cada cop més ràpida. Segons l’univers s’expandeix, es crea més energia fosca, cosa que accelera l’expansió encara més, en un cicle que fa que la fracció d’energia fosca a l’univers sempre creixi. L’energia fosca acabarà determinant el destí de l’univers: S’expandirà per sempre? Col·lapsarà de nou sobre si mateix, al revers del big bang? O s’esquinçarà a si mateix? La resposta a aquestes preguntes demana aprendre més sobre com s’ha comportat l’energia fosca en el passat, i DESI està dissenyat per fer exactament això. A més, comparant la història de l’expansió amb la història del creixement d’estructures, els cosmòlegs poden comprovar si la teoria de la relativitat general d’Einstein continua funcionant en aquests dominis immensos d’espai i temps.

Forats negres i galàxies brillants

Però entendre el destí de l’univers haurà d’esperar fins que DESI hagi completat una part més gran del cartografiat. Mentrestant, DESI ja està produint avenços en el nostre coneixement del passat llunyà, fa més de deu mil milions d’anys, quan les galàxies encara eren joves.

L’equip científic de DESI està usant també les vostres dades per entendre el comportament dels forats negres de massa intermèdia en galàxies petites. Es creu que forats negres enormes habiten els nuclis de totes les galàxies grans, com la nostra, la Via Làctia. Però encara no se sap si les galàxies petites també contenen sempre els seus propis forats negres (més petits). Aquests forats negres són pràcticament impossibles de descobrir, així i tot, si atrauen material suficient, es tornen més fàcils de localitzar. Quan gas, pols i altres materials cauen al forat negre, s’escalfen (a temperatures més grans que les del nucli d’una estrella) durant la caiguda, i es forma un nucli galàctic actiu (AGN per les sigles en anglès). A galàxies grans, els AGN es troben entre els objectes més brillants de l’univers conegut. Això no obstant, en galàxies més petites, els AGN poden ser més febles, i més difícils de distingir d’estrelles nounades. “Els espectres presos per DESI ajuden a resoldre aquest problema, i la gran extensió del cel coberta produirà més informació sobre els nuclis de galàxies petites que qualsevol observació anterior.”, comenta Mar Mezcua de l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC) i de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), a Barcelona. Aquests nuclis, per la seva banda, contenen molta informació sobre com es van formar els AGN brillants a l’univers molt d’hora.

“DESI és un cartografiat de galàxies innovador. Serà essencial per entendre els processos que regulen la formació i l’evolució de les galàxies”, comenta Malgorzata Siudek, investigadora Marie Curie a l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) de Barcelona.

Els quàsars, una altra varietat de galàxies especialment brillants, estan entre els objectes més distants i més brillants coneguts, i són excel·lents sondes de l’univers primerenc a causa de la seva potència; els continguts a les dades de DESI van emetre la seva llum fa onze mil milions d’anys. Els científics de DESI utilitzen les dades per entendre l’evolució d’aquests objectes. Es creu que els quàsars comencen envoltats d’un embolcall de pols, que envermelleix la llum que emeten, com li passa a la llum del sol quan travessa calima. Segons evolucionen, eliminen aquesta pols i es tornen més blaves. Però és molt difícil posar a prova aquesta teoria, a causa de l’escassetat de dades sobre els quàsars vermells. DESI està canviant aquesta situació, ja que descobreix més quàsars que qualsevol cartografiat anterior. S’espera que al final del projecte hagi observat uns 2,4 milions.

Hi ha molts més resultats científics que DESI ja està produint. Ha catalogat més de 7.5 milions de galàxies i continua observant més d’un milió per mes. Només el novembre del 2021, DESI va mesurar el desplaçament al vermell de 2,5 milions de galàxies. Al final del projecte, el 2026, s’espera que DESI tingui més de 35 milions de galàxies al seu catàleg, cosa que permetrà una gran varietat d’investigacions sobre cosmologia i astrofísica.

Web de DESI en català

La col·laboració DESI valora la diversitat cultural i lingüística per això la seva pàgina web s’ha traduït a deu llengües. A partir d’aquesta setmana ja inclou el català . A la web podeu trobar-hi en català totes les explicacions detallades tant sobre els objectius científics (i els mètodes per aconseguir-los) com sobre la instrumentació i el telescopi. També s’ha començat a traduir els cursos gratuïts per estudiants de secundària i universitat, amb els que s’expliquen els conceptes i mètodes científics d’aquest experiment, utilitzant algunes dades reals.

La col·laboració Dark Energy Spectroscopic Instrument

DESI està finançada per les següents institucions: U.S. Department of Energy’s Office of Science; National Science Foundation dels Estats Units; Division of Astronomical Sciences sota contracte amb el National Optical Astronomy Observatory; Science and Technologies Facilities Council del Regne Unit; Fundació Gordon and Betty Moore; Fundació Heising-Simons; French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA); Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México; Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades d’Espanya i les institucions membres de DESI. Els científics de DESI se senten honrats que se’ls permeti dur a terme les investigacions astronòmiques en el lolkam Du’a (Kitt Peak, Arizona), una muntanya amb un particular significat per a la nació Tohono O’odham.

Participen a DESI el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE, CSIC), l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), l’ Instituto de Física Teórica (IFT) de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y CSIC, l’Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA), l’Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) i l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB).