DESI 创建了最大的宇宙 3D 地图

来自 DESI 的宇宙 3D 计算机断层扫描。 地球在左下角，朝处女座方向看超过 50 亿光年。 随着视频的进行，视角转向牧夫座。 每个彩色圆点代表一个由数千亿颗恒星组成的星系。 重力已将星系拉入由密集星团、细丝和空隙组成的“宇宙网”。 图片来源：D. Schlegel/Berkeley Lab 使用 DESI 的数据

暗能量光谱仪德西) 通过打破之前所有 3D 星系调查的记录，完成了前七个月的调查，创造了有史以来最大、最详细的宇宙地图。 然而，在其五年任务期间，它只完成了 10% 的任务。 一旦完成，这张大量详细的 3D 地图将更好地了解暗能量，从而让物理学家和天文学家更好地了解宇宙的过去和未来。 与此同时，迄今为止这项调查的惊人技术性能和宇宙成就正在帮助科学家揭示宇宙中最强大光源的秘密。

DESI 是由能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Laboratory）管理的国际科学合作项目，由能源部科学办公室提供建设和运营的种子资金。

DESI 科学家本周在伯克利实验室主办的名为 CosmoPalooza 的网络研讨会上展示了该仪器的性能和一些早期的天体物理学结果，该研讨会还将介绍其他开创性宇宙学实验的更新。

“其中有很多美，”演讲者之一、伯克利实验室科学家朱利安盖伊说。 “在 3D 地图中的星系分布中，有大量的星团、细丝和空洞。它们是宇宙中最大的结构。但在它们之中，你会发现非常早期宇宙的印记，以及它的膨胀历史自那以后。”

DESI 已经走了很长一段路才能达到这一点。 它最初是在十多年前提出的，该设备的建造始于 2015 年。它安装在亚利桑那州图森附近的凯特萨米特天文台的 4 米高的尼古拉斯·U·梅威尔望远镜中。 基特峰国家天文台是美国国家科学基金会 (NSF) NOIRLab 的一个项目，能源部与该项目签订合同，为 DESI 调查操作 Mayall 望远镜。 该仪器于 2019 年底首次亮相。然后，在其验证阶段，冠状病毒大流行袭来，望远镜关闭了几个月，尽管一些远程工作仍在继续。 2020年12月，DESI再次将目光投向了天空，测试了其硬件和软件，并于2021年5月准备开始其科学调查。

从完成的斯隆数字巡天中滑过星系的 3D 地图。

暗能量光谱（DESI；右）最初几个月的星系 3D 地图切片。 地球位于中心，最遥远的星系距离它超过100亿光年。 每个点代表一个星系。 3D DESI 地图的这个 2D 切片仅显示了当前扫描的 750 万个星系中的大约 800,000 个，这本身只是最终地图中将出现的 3500 万个星系的一小部分。 图片来源：D. Schlegel/Berkeley Lab 使用 DESI 的数据

但是，一旦调查开始，DESI 本身的工作并没有完成。 参与该项目的机器科学家、俄亥俄州立大学物理学家 Klaus Hünscheid 说：“让这个工具发挥作用的工作正在进行中，他将在 CosmoPalooza DESI 会议上发表第一篇论文。 Honscheid 和他的团队确保该工具平稳、自动运行，理想情况下在夜间监控期间不受任何干扰。 “我从守夜人那里得到的反馈是轮班很无聊，我认为这是一种恭维，”他说。

但是这种单调的吞吐量需要对 5,000 个将光纤放置在 DESI 仪器上的复杂机器人中的每一个进行极其详细的控制，以确保它们的位置精确到 10 微米以内。 “十微米非常小，”Honshed 说。 “它比人类头发的厚度还小。 你必须把每个机器人都放进去，收集来自数十亿光年外星系的光。 每次想到这个系统，我就想知道我们如何实现它？ DESI 作为一种工具的成功是值得骄傲的。”

看到暗能量的本色

这个级别 健康 它需要完成调查的主要任务：收集覆盖整个天空三分之一以上的数百万个星系的详细色谱图像。 通过将来自每个星系的光分解成它们的色谱，DESI 可以量化光的红移——由于宇宙在到达地球之前经过数十亿年的膨胀而向光谱的红端延伸。 正是这些红移让 DESI 看到了天空的深度。

一般来说，星系光谱的红移越大，离它越远。 有了宇宙的 3D 地图，物理学家可以绘制星系团和超星系团的地图。 这些结构带有它们最初形成的回声，当时它们只是婴儿宇宙中的涟漪。 通过触发这些回波，物理学家可以使用 DESI 数据来确定宇宙的膨胀历史。

与 DESI 一起发现的新类星体让我们得以一窥宇宙近 130 亿年前的样子，即大爆炸后不到 10 亿年。 这是迄今为止从一系列极高红移的DESI类星体中检测到的最遥远的DESI类星体。 背景显示了 DESI 传统摄影测量调查中的这个类星体及其周围环境。 图片来源：Jenny Yang，Steward 天文台/亚利桑那大学

我们的科学目标是测量原始波的指纹 等离子体盖伊说。 “令人惊讶的是，我们实际上可以在数十亿年后检测到这些波的影响，而且在我们的调查中如此之快。”

了解膨胀的历史至关重要，因为整个宇宙的命运都岌岌可危。 今天，宇宙中大约 70% 的内容是暗能量，这是一种推动宇宙更快膨胀的神秘能量形​​式。 随着宇宙的膨胀，更多的暗能量出现，进一步加速膨胀，在一个循环中推动宇宙中的一部分暗能量向上。 暗能量最终将决定宇宙的命运：它会永远膨胀吗？ 他会不会再次崩溃在自己身上，在 大爆炸 向后？ 还是她会自毁前程？ 回答这些问题意味着更多地了解暗能量在过去是如何表现的——而这正是 DESI 的设计目的。 通过比较膨胀的历史和增长的历史，宇宙学家可以验证爱因斯坦的广义相对论在这些巨大的空间和时间上是否成立。

黑洞和明亮的星系

但了解宇宙的命运必须等到 DESI 完成更多调查。 与此同时，DESI 已经推动我们对遥远过去的理解取得突破，超过 100 亿年前，当时星系还很年轻。

“这真是太神奇了，”亚利桑那大学从事 DESI 研究的天文学研究生 Ragadeepika Pucha 说。 “DESI 将告诉我们更多关于星系形成和演化的物理学。”

Pucha 和她的同事使用 DESI 数据来了解小星系中中等质量黑洞的行为。 超大质量黑洞被认为居住在几乎每个大星系的中心，比如我们的星系 银河系. 但是无论小星系在其核中是否总是有自己的（较小的）黑洞。 黑洞几乎不可能靠自己找到——但如果它们吸引了足够多的物质，它们就会变得更容易被发现。 当气体、灰尘和其他物质落入 黑洞 当它在内陆途中变暖（温度高于恒星核心）时，会形成一个活跃的星系核（AGN）。 在大型星系中，活跃的星系核是已知宇宙中最亮的物体之一。 但在较小的星系中，活动星系核可能要暗得多，而且很难与新生恒星区分开来。 DESI 捕获的光谱可以帮助解决这个问题——它们在天空中传播的距离将比以往任何时候都提供更多关于年轻星系核心的信息。 反过来，这些核心将为科学家提供有关 AGN 在早期宇宙中如何形成的线索。

类星体——一组不同的明亮星系——是最明亮和最遥远的物体之一。 “我喜欢把它们想象成灯柱，回顾宇宙的历史，”英国杜伦大学天文学研究生 Victoria Fawcett 说。 类星体因其强大的力量而成为早期宇宙的极好探测器。 DESI 数据可以追溯到 110 亿年前。

Fawcett 和她的同事使用 DESI 数据来了解类星体本身的演化。 类星体被认为是开始被一层尘埃包围的，这使得它们发出的光变红，就像太阳穿过阴霾一样。 随着年龄的增长，它们会排出这些灰尘并变得更蓝。 但由于缺乏关于红色类星体的数据，这一理论一直难以检验。 DESI 改变了这一点，因为发现的类星体比以往任何一次调查都多，最终调查数据中预计有 240 万个类星体。

“DESI 真的很棒，因为它可以拾取更暗更红的东西，”Fawcett 说。 她补充说，这使科学家能够测试以前无法测试的关于类星体演化的想法。 这不仅限于类星体。 “我们发现了大量的奇异系统，包括我们以前无法详细研究的大量稀有事物样本，”福塞特说。

DESI 还有更多。 该调查已经对超过 750 万个星系进行了编目，并且正在以每月超过 100 万个星系的速度增加。 仅在 2021 年 11 月，DESI 就对 250 万个星系的红移进行了编目。 到 2026 年运营结束时，DESI 的目录中预计将拥有超过 3500 万个星系，从而能够进行大量的宇宙学和天体物理学研究。

“所有这些数据都在那里，只是等待分析，”布查说。 “然后我们会发现很多关于星系的奇妙事物。对我来说，这很令人兴奋。”

DESI 得到能源部科学办公室和国家能源研究科学计算中心的支持，该中心是能源部科学办公室的用户设施。 美国国家科学基金会、英国科学技术设施委员会、戈登和贝蒂摩尔基金会、海辛-西蒙斯基金会、法国替代能源和原子能委员会 (CEA)、国家科学和技术委员会为 DESI 提供了额外的支持。墨西哥技术委员会、西班牙经济部、DESI 成员机构。

DESI Collaboration 有幸允许他对 Tohono O’odham 国家特别感兴趣的山 Iolkam Du’ag（基特峰）进行科学研究。