إن الفلكيين على وشك الشروع في مشروعهم الأكثر طموحًا لرسم خرائط المجرات على الإطلاق. على مدى السنوات الخمس المقبلة ، سيستخدمون تلسكوبًا في أريزونا - مُعدَّل بآلاف الأسلحة الآلية الصغيرة - لالتقاط أطياف الضوء من 35 مليون مجرة ​​وإعادة بناء تاريخ الكون في التوسع. هدفهم الرئيسي: توضيح طبيعة الطاقة المظلمة ، القوة الغامضة التي تدفع الكون إلى التسارع بوتيرة أسرع من أي وقت مضى.

من المقرر أن تشهد أداة التحليل الطيفي للطاقة المظلمة (DESI) "الضوء الأول" في سبتمبر. بعد فترة التكليف ، قد يبدأ مسحها للسماء الشمالية - باستخدام تلسكوب Mayall بطول 4 أمتار في مرصد كيت بيك الوطني بالقرب من توكسون - في وقت مبكر من يناير 2020. تأتي حوالي ثلاثة أرباع ميزانية DESI البالغة 75 مليون دولار أمريكي من وزارة الولايات المتحدة الطاقة (DOE) ، مع مساهمات كبيرة من المملكة المتحدة وفرنسا.

ما مدى سرعة تمدد الكون؟ أصبح علماء الكون مرتبكين أكثر

DESI هو الأول في جيل جديد من التجارب التي تبحث في التوسع السابق للكون ، والتي تأتي بعد عقدين من اكتشاف أول دليل قوي على الطاقة المظلمة في عام 1998. وتشمل الأخرى المراصد الأرضية والمراصد الفضائية المقرر إطلاقها في عام 2020 .

سوف يعيد المسح 11 مليار سنة من التاريخ الكوني. يمكن أن يجيب على السؤال الأول والأساسي حول الطاقة المظلمة: هل هي قوة موحدة عبر المكان والزمان ، أو هل تطورت قوتها على مدى دهور؟

سوف يتتبع المسح التمدد الكوني من خلال قياس ملامح الكون المبكر ، والمعروف باسم التذبذبات الصوتية الباريونية (BAOs). هذه التذبذبات هي تموجات في كثافة المادة التي تركت بصمة كروية في الفضاء الذي تتجمع حوله المجرات. يكون توزيع المجرات أعلى في وسط البصمة ، وهي منطقة تسمى الكتلة الفائقة ، وحول حوافها - مع فراغات عملاقة بين هذه المناطق.

النمط البدائي

تشكلت الكتل الفوقية في المناطق التي تركزت فيها المادة المظلمة - وهي مادة غير مرئية تدفع تكوين مثل هذه الهياكل واسعة النطاق - تحت جاذبيتها الخاصة.

ظل هذا النمط البدائي من تجمع المجرات دون تغيير منذ حوالي مليون سنة بعد الانفجار العظيم. مع نمو الكون ، تتبع BAOs توسعه. يبلغ عرضها الآن حوالي 320 ميغا باسكال (مليار سنة ضوئية). يستخدم علماء الكونيات هذه المسافة كحاكم. من خلال تتبع حجم BAOs عبر الوقت ، يمكنهم إعادة بناء كيفية توسع الكون نفسه.

"النمط في الخريطة ثابت في الأساس ؛ يقول دانيال آيزنشتاين ، إن المقياس آخذ في الازدياد ، عالم الفيزياء بجامعة هارفارد في كامبريدج والمتحدث باسم معهد DESI.

يتطلب تتبع BAOs خريطة ثلاثية الأبعاد للمجرات مصنوعة من خلال قياس الانزياحات الحمراء - إطالة الموجات الكهرومغناطيسية في أطياف الضوء. تقيس الانزياحات الحمراء مدى سرعة انحسار المجرة عن مجرة ​​درب التبانة ، مما يشير إلى مدى بعد تلك المجرة.

كلما زاد مقدار الانزياحات الحمراء ، زادت دقة تتبع BAO. وجد آيزنشتاين وآخرون توقيع BAO الذي لا لبس فيه في استطلاعات المجرات السابقة ، ولا سيما مسح Baryon التذبذب الطيفي (BOSS) في الولايات المتحدة ، والذي انتهى في عام 2014 ، ومسح Redshift Galaxy من درجتين في أستراليا ، والذي انتهى في 2002. وقد قامت هذه الاستقصاءات مجتمعة برسم خرائط لما يقرب من 2.4 مليون مجرة.

عدد المجرات التي ستقوم DESI بتتبعها سيحجب الاستطلاعات السابقة بترتيب من حيث الحجم. يقول مايكل ليفي ، الفيزيائي في مختبر لورانس بيركلي الوطني في كاليفورنيا ومدير معهد DESI: "في غضون بضعة أشهر ، سوف نتفوق على ما لدينا لـ BOSS".

تحديث الروبوت

ستحقق DESI مثل هذا التسارع بفضل التصميم المختلف جذريًا. استخدمت المسوحات مثل BOSS الألياف الضوئية ، الموضوعة في ثقوب محفورة في صفائح معدنية مخصصة ، لالتقاط ضوء كل مجرة ​​وتسليمها إلى مطياف منفصل لقياس الانزياح الأحمر. لكن اللوحات تحتاج إلى تغيير لقياس كل جزء مختلف من السماء ، والذي كان بطيئًا ومرهقًا.

ستقوم DESI بتسريع هذه العملية عن طريق استبدال الألواح المعدنية بـ 5000 ذراع آلي صغير ، مرتبة في نمط خلية نحل معبأة بشكل وثيق .بمجرد عرض صور المجرات على المستوى البؤري للتلسكوب - يبلغ عرض كل منها حوالي 100 ميكرومتر - ستضع الأذرع الروبوتية الألياف الضوئية بسرعة في حدود 10 ميكرومتر من مركز كل صورة ، كما يوضح جوزيف سيلبر ، مهندس ميكانيكي في LBNL الذي قاد تصميم وبناء النظام الآلي.

على الرغم من أن BOSS تتغير عادة حوالي خمس لوحات في الليلة ، يمكن إعادة تنشيط المستوى البؤري لـ DESI لجزء آخر من السماء في بضع دقائق ؛ القيد الرئيسي هو كم من الوقت يجب أن يكون التعرض للحصول على ما يكفي من الضوء. اعتمادًا على الموسم والطقس ، قد تتمكن DESI من التعرض لـ 30 أو أكثر من التعرض ، كل منها مع الآلاف من الانزياحات الحمراء ، في ليلة واحدة.

استخدمت بعض تجارب علم الفلك الأخرى ، بما في ذلك التلسكوب الطيفي الليفي متعدد الأغراض بمنطقة السماء الكبيرة في محطة Xinglong في الصين ، أجهزة تحديد المواقع الآلية من قبل. ولكن ، يقول سيلبر ، "DESI هي بالتأكيد أكبر تجربة تمت تجربتها حتى الآن."

بالإضافة إلى استكشاف الطاقة المظلمة ، ستدرس DESI دور المادة المظلمة في نمو المجرات وعناقيد المجرات عن طريق قياس الحركة في التكتلات ، حسب المتحدث باسم DESI Nathalie Palanque-Delabrouille ، عالمة الكونيات في لجنة الطاقات البديلة الفرنسية والطاقة الذرية. CEA) مركز أبحاث ساكلاي خارج باريس. وهذا سيوفر "اختبارات رائعة" للنماذج المفضلة الحالية لكيفية دفع المادة المظلمة لنمو الهياكل الكبيرة ، كما تقول ، مقابل البدائل التي تفسر تكوين هذه الهياكل من خلال تعديل نظرية ألبرت أينشتاين العامة للنسبية.