náhľad|DESI v kupole Mayallovho ďalekohľadu

Dark Energy Spectroscopic Instrument (skratka DESI, po slovensky doslovne „spektroskopický prístroj pre tmavú energiu“) je vedecký astronomický prístroj určený na spektroskopické pozorovanie vzdialených galaxií a kvazarov s cieľom skúmať povahu temnej energie a históriu expanzie vesmíru. Prístroj je inštalovaný na 4-metrovom Mayallovom ďalekohľade Národného observatória Kitt Peak (Kitt Peak National Observatory, KPNO) v Sonorskej púšti v štáte Arizona v USA, vo výške 2 100 metrov nad morom. Prevádzku prístroja zastrešuje Národné laboratórium Lawrence Berkeley (Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL) pri Ministerstve energetiky USA (U.S. Department of Energy). DESI predstavuje prvý projekt kategórie tzv. „Stage IV“ zameraný na štúdium temnej energie, ktorý vstúpil do fázy vedeckých pozorovaní.

Hlavnou úlohou prístroja DESI je meranie histórie expanzie vesmíru prostredníctvom techniky baryonových akustických oscilácií (BAO). DESI je schopný súčasne zaznamenávať spektrá až 5 000 galaxií naraz, čo z neho robí jeden z výkonnostne najnáročnejších spektroskopických nástrojov svojej doby. Prístroj pracuje v rozsahu vlnových dĺžok od 360 nm (ultrafialová oblasť) do 980 nm (blízka infračervená oblasť). DESI doteraz zozbieral kozmologické dáta pre šesťkrát viac galaxií a kvazarov ako všetky predchádzajúce merania dohromady.

História vzniku náhľad|Kupola Mayallovho ďalekohľadu

Predchodcovia a motivácia Myšlienka rozsiahleho spektroskopického skúmania vesmíru sa zrodila pri projekte Sloan Digital Sky Survey, v rámci ktorého boli v roku 2005 prvýkrát detegované baryonové akustické oscilácie v rozložení galaxií. V roku 2006 identifikovala správa Dark Energy Task Force metódu BAO ako jednu z kľúčových pre štúdium temnej energie. Správa zároveň navrhla štvorúrovňovú klasifikáciu experimentov, pričom Stage IV označuje experimenty s najvyššou presnosťou a ambíciou.

Schválenie a prípravná fáza Formálny začiatok projektu DESI možno datovať do roku 2012, keď Ministerstvo energetiky USA dalo projektu zelenú. Riadenie projektu bolo zverené Národnému laboratóriu Lawrence Berkeley a jeho vedením bol poverený Dr. Michael Levi, seniorný vedec daného laboratória, ktorý funkciu projektového riaditeľa zastával počas celej výstavby prístroja. Kongres USA zahrnul projekt DESI do rozpočtu na fiškálny rok 2015.

Výstavba a inštalácia Výstavba prístroja sa začala 22. júna 2016. Inštalácia prístroja bola dokončená v roku 2019. Projekt bol formálne ukončený 21. marca 2020, tesne pred vypuknutím pandémie COVID-19. Náklady na projekt DESI boli o 1,9 milióna dolárov nižšie, ako sa pôvodne plánovalo. Projektový tím získal v roku 2020 za projekt DESI Cenu za excelentnosť v riadení projektov Ministerstva energetiky USA (DOE Project Management Excellence Award).

Začiatok prevádzky V decembri 2020 sa pokračovalo s finálnou overovacou a validačnou fázou. Vedecké pozorovanie v rámci päťročného výskumu sa začalo 14. mája 2021. V lete 2022 musel byť prístroj na tri mesiace odstavený v dôsledku lesného požiaru Contreras Fire, ktorý zasiahol oblasť Kitt Peak – prístroj však nebol poškodený a následne pokračoval v zbere dát.

Celkové náklady na výstavbu dosiahli 56 miliónov dolárov z prostriedkov Kancelárie pre vedu Ministerstva energetiky USA a ďalších 19 miliónov dolárov z iných, predovšetkým mimofederálnych zdrojov. Medzi ďalších hlavných finančných partnerov patrí americká Národná vedecká nadácia (NSF), britská Rada pre vedu a technológiu (STFC), francúzsky Komisariát pre alternatívne energie a atómovú energiu (CEA), mexická Národná rada pre vedu a technológiu, španielske Ministerstvo vedy a inovácie, nadácie Gordon and Betty Moore Foundation a Heising-Simons Foundation. Na projekte sa podieľa viac ako 70 inštitúcií z celého sveta a spolupráca v rámci konzorcia DESI Collaboration zahŕňa vyše 900 vedcov.

Konštrukcia

Optický korektor a ohnisková rovina Na Mayallovom ďalekohľade bol nainštalovaný nový širokoúhlý optický korektor, ktorý tvoria štyri veľké optické šošovky s antireflexnými povlakmi pre rozsah vlnových dĺžok 360980 nm. Celá ohnisková rovina – technicky ide o sférickú plochu, bežne označovanú jednoducho ako „rovina“ – obsahuje 5 020 robotických polohovačov optických vlákien. Robotické polohovače zoraďujú optické vlákna s presnosťou do 10 mikrónov, čo je menej ako šírka vlasu. Okrem samotných polohovačov a optických vlákien zahŕňa ohnisková zostava šesť navádzacích kamier, štyri kamery pre meranie vlnoplochy, 123 stacionárnych svietidiel (fiduciálne zdroje) a merologickú kameru umiestnenú pri primárnom zrkadle, využívanú na verifikáciu polohy vlákien. Celý systém ohniskovej roviny obsahuje viac ako 675 000 jednotlivých komponentov.

Optické vlákna a spektrografy Zo všetkých 5 000 aktívnych polohovačov vedú optické vlákna cez 40-metrový káblový systém k desiatim spektroskopom umiestneným v oddelených miestnostiach observatória. Každý spektroskop spracúva svetlo z 500 vlákien. Pomocou dvoch dichromatických deličov lúčov rozdeľujú spektroskopy dopadajúce svetlo do troch spektrálnych kanálov – modrého (360593 nm), červeného (566772 nm) a infračerveného (747980 nm). Každý kanál využíva volumetrické fázové holografické mriežky (VPH) a šošovkový systém fokusujúci svetlo na CCD detektor.

Vedecké ciele

Baryonové akustické oscilácie a temná energia Primárnym cieľom DESI je meranie vzdialenosti k ďalekým galaxiám a kvazarom prostredníctvom baryonových akustických oscilácií. Táto metóda využíva akustický horizont z doby pred asi 380 000 rokmi po Veľkom tresku. Zvukové vlny sa vtedy šírili v horúcej plazme a zanechali charakteristickú stopu v priestorovom rozložení hmoty. Meraním polohy tohto vrcholu v rôznych červených posunoch je možné rekonštruovať Hubblov parameter H(z) a uhlové priečne kozmologické vzdialenosti v siedmich pásmach červeného posunu od z = 0,1 do z = 4,2.

Prístroj DESI bol navrhnutý tak, aby počas päťročného výskumu zaznamenal spektrá 40 miliónov galaxií a kvazarov. Výskum je rozdelený do niekoľkých skupín podľa typu pozorovaných objektov: Bright Galaxy Survey (jasné galaxie), Luminous Red Galaxies (svetelne červené galaxie), Emission Line Galaxies (galaxie s emisnými čiarami), kvazary a Lyman-α Forest (Lyman-alfa les). Na dosiahnutie týchto cieľov pokrýva prístroj plochu oblohy asi 14 000 štvorcových stupňov, vyhýbajúc sa rovine Mliečnej cesty.

Redshift-space distortions a testovanie všeobecnej relativity Okrem BAO je DESI navrhnutý na meranie deformácií v priestore červeného posunu, spôsobených vlastným pohybom galaxií pod vplyvom gravitácie. Tieto merania umožňujú skúmať, ako rýchlo rastú kozmické štruktúry, a tým testovať, či je rast štruktúry konzistentný s predpoveďami všeobecnej teórie relativity – alebo či si kozmologické zrýchlenie vyžaduje modifikáciu Einsteinovej gravitácie na veľkých škálach.

Hmotnosť neutrína Distribúcia galaxií na veľkých škálach je citlivá na celkovú hmotnosť neutrín, keďže masívne neutrína sú schopné vyhladiť drobné fluktuácie hustoty a tým obmedziť vznik malých štruktúr. Dáta DESI umožnia určiť horné hranice hmotnosti aktívnych neutrín presnejšie než predchádzajúce výskumy.

Výskum Mliečnej cesty Vedľajším vedeckým programom DESI je Milky Way Survey – spektroskopický výskum hviezd našej galaxie. Dáta z tohto programu, zahŕňajúce milióny spektroskopicky potvrdených hviezd, sú využívané na popis histórie vzniku a hmotnostného profilu Mliečnej cesty.

Výsledky výskumu

Výsledky BAO z prvých piatich rokov pozorovania náhľad|Porovnanie prieskumu Sloan Digital Sky Survey (vľavo) pozostávajúceho z približne 4 miliónov galaxií a kvazarov z rokov 2000 až 2020 a prieskumu DESI (vpravo) pozostávajúceho z približne 7,5 milióna galaxií zachytených počas prvých 7 mesiacov Pôvodným plánom bolo, že DESI počas päťročného prieskumu oblohy zachytí svetlo z 34 miliónov galaxií. Prístroj však tento plán výrazne prekonal, keď pozoroval viac ako 47 miliónov galaxií a kvazarov, ako aj 20 miliónov hviezd. DESI tak pomohol astronómom vytvoriť doteraz najpodrobnejšiu 3D mapu vesmíru. Posledná podobná mapa zahŕňala zhruba päť miliónov galaxií, pričom tá nová by ich čoskoro mala mať desaťkrát viac.

Hlavným cieľom projektu je pochopiť temnú energiu, ktorá tvorí asi 70 % jeho obsahu a spôsobuje, že sa rozpínanie vesmíru zrýchľuje. Vďaka detailnej mape môžu vedci porovnávať rozloženie galaxií v rôznych epochách a sledovať, ako sa štruktúra vesmíru vyvíjala počas posledných 11 miliárd rokov.

Doterajšia analýza dát z prvých troch rokov priniesla jedno prekvapenie: temná energia možno nie je konštantná, ako sa dlho predpokladalo, ale mohla by sa v čase meniť. Ak sa táto téza potvrdí aj po spracovaní kompletných dát, znamenalo by to zásadnú zmenu v našom chápaní vesmíru – vrátane predpovedí jeho budúceho osudu. Vedci v súčasnosti spracovávajú kompletnú dátovú sadu, pričom prvé výsledky merania temnej energie z kompletného päťročného prieskumu sa očakávajú v roku 2027. Medzitým bude DESI pokračovať vo svojich pozorovaniach až do roku 2028, vďaka čomu sa 3D mapa vesmíru rozšíri o približne 20 %, zo 14 000 štvorcových stupňov na 17 000 štvorcových stupňov (len pre porovnanie, celá obloha má približne 41 250 štvorcových stupňov).

Referencie

Iné projekty

Externé odkazy

Kategória:Astronomické prístroje Kategória:Ďalekohľady Kategória:Temná energia