بزرگ‌ترین نقشه‌ی سه‌بعدی کیهان جزئیات تازه‌ای از انرژی تاریک آشکار کرد
ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI) هفت ماه نخست کاوش خود را با شکستن همه‌ی رکوردهای قبلی برای بررسی‌های سه‌بعدی کهکشانی به پایان رسانده و بزرگ‌ترین و دقیق‌ترین نقشه‌ی کیهان را ایجاد کرده است.
این تنها حدود ۱۰ درصد از مسیر مأموریت پنج ساله‌ی این ابزار شگفت‌انگیز علمی است. پس از تکمیل، این نقشه‌ی سه‌بعدی با جزئیات زیاد، درک بهتری از انرژی تاریک و درنتیجه از گذشته و آینده‌ی کیهان در اختیار فیزیکدانان و ستاره‌شناسان می‌گذارد. با این وجود عملکرد فنی چشمگیر و دستاوردهای این نقشه‌برداری کیهانی حتی اکنون به دانشمندان کمک می‌کند تا اسرار قدرتمندترین منابع نور در جهان را آشکار کنند.
«ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک» (Dark Energy Spectroscopic Instrument) که به اختصار «دسی» (DESI) نامیده می‌شود، یک همکاری بین‌المللی است که توسط آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (Berkeley Lab) وزارت انرژی آمریکا (DOE) و با بودجه‌ی اولیه ساخت و بهره‌برداری از سوی دفتر علوم DOE اداره می‌شود.
دانشمندان DESI در حال ارائه‌ی عملکرد این ابزار و برخی از نتایج اولیه‌ی اخترفیزیکی آن طی وبینار موسوم به «عرصه‌ی کیهانی» (CosmoPalooza) توسط آزمایشگاه برکلی هستند که در آن همچنین به‌روزرسانی‌هایی از دیگر آزمایش‌های کیهان‌شناسی پیشروی این آزمایشگاه ارائه خواهد شد.
«جولین گای» (Julien Guy) دانشمند آزمایشگاه برکلی گفت: «زیبایی‌های زیادی در این نتایج وجود دارد. در توزیع کهکشان‌ها در نقشه‌ی سه‌بعدی، خوشه‌ها، رشته‌ها و حفره‌های عظیمی دیده می‌شوند. این‌ها بزرگ‌ترین ساختارهای کیهان هستند. اما از سوی دیگر، درون آن‌ها رد پایی از جهان بسیار ابتدایی و تاریخچه‌ی انبساط از آن زمان را می‌یابید.»
دسی برای رسیدن به این نقطه راهی طولانی را پیموده است. این ابزار علمی کاوش انرژی تاریک، در ابتدا بیش از یک دهه پیش، پیشنهاد و سرانجام ساخت آن در سال ۲۰۱۵ میلادی (۱۳۹۴ خورشیدی) آغاز شد. این ابزار در تلسکوپ ۴ متری «نیکلاس می‌آل» در «رصدخانه‌ی ملی قله‌ی کیت» (Kitt Peak National Observatory) نصب شده است.
رصدخانه‌ی ملی قله‌ی کیت در نزدیکی توسان آریزونا، برنامه‌ای از آزمایشگاه NOIRLab «بنیاد ملی علوم» (NSF) آمریکا است و وزارت انرژی آمریکا برای اداره‌ی ابزار دسی روی تلسکوپ می‌آل با آن قرارداد دارد. این ابزار، نخستین نورگیری خودر را اواخر سال ۲۰۱۹ انجام داد اما در ادامه و در مرحله‌ی اعتبارسنجی، همه‌گیری ویروس کرونا باعث تعطیلی چند ماهه‌ی آن شد؛ هرچند برخی فعالیت‌ها از راه دور ادامه یافت. در دسامبر ۲۰۲۰ (آذر ۱۳۹۹) دسی دوباره چشمان خود را به سمت آسمان معطوف و سخت‌افزار و نرم‌افزار خود را آزمایش کرد. این ابزار علمی در نهایت در می ۲۰۲۱ (اردیبهشت ۱۴۰۰) آماده شد و بررسی‌های علمی خود را آغاز کرد.
سی‌تی اسکن سه‌بعدی از کیهان؛ زمین در سمت چپ پایین قرار دارد و این داده‌ها بیش از ۵ میلیارد سال نوری در جهت صورت فلکی صنبله را دربر می‌گیرد. هر نقطه‌ی رنگی در این تصویر یک کهکشان است که به نوبه‌ی خود از صدها میلیارد ستاره تشکیل شده است.
Credit: D. Schlegel/Berkeley Lab using data from DESI
کار بر روی توسعه‌ی خود ابزار دسی، با شروع نقشه‌برداری کیهان به پایان نرسید. «کلاوس هونشاید» (Klaus Honscheid) فیزیکدان دانشگاه ایالتی اوهایو و دانشمند ابزار علمی در این پروژه گفت: «کار پیوسته برای عملکرد صحیح این ابزار ادامه دارد.»
او و تیمش اطمینان حاصل می‌کنند که این ابزار به‌صورت درست و خودکار و به‌صورت ایدئال بدون نیاز به هیچ ورودی در طول یک شب رصدی فعالیت می‌کند. به گفته‌ی هونشاید طبق بازخوردی که از کارکنان و رصدگران شب دریافت می‌کند، این شیفت‌ها معمولا خسته‌کننده هستند اما این یک خبر خوب برای تیم محسوب می‌شود زیرا نشان می‌دهد که ابزار کاملا خودکار عمل می‌کند.
این بهره‌وری یکنواخت اما نیازمند کنترل دقیق بر هر یک از ۵۰۰۰ ربات پیشرفته‌ای است که فیبرهای نوری را روی دستگاه دسی حانمایی و اطمینان حاصل می‌کنند که موقعیت آن‌ها با دقتی تا ۱۰ میکرون دقیق تنظیم شده است. او افزود: «ده میکرون بسیار کوچک و کمتر از ضخامت موی انسان است. شما باید هر ربات را طوری قرار دهید که نور کهکشان‌هایی که میلیاردها سال نوری از ما فاصله دارند، جمع‌آوری کند. هر بار که به این سیستم فکر می‌کنم، تعجب می‌کنم که چگونه می‌توانیم آن را پیش ببریم. موفقیت دسی به‌عنوان یک ابزار، چیزی است که باید به آن افتخار کرد.»
دیدن چهره‌ی واقعی انرژی تاریک
این سطح از دقت برای انجام وظیفه‌ی اصلی نقشه‌برداری یعنی جمع‌آوری تصاویر طیف رنگی دقیق از میلیون‌ها کهکشان در بیش از یک‌سوم کل آسمان ضروری است. با تجزیه‌ی نور هر کهکشان به طیف رنگ‌های تشکیل‌دهنده‌ی آن، دسی می‌تواند تعیین کند که نور آن چقدر به سمت طیف سرخ جابه‌جا شده است. به‌دلیل انبساط کیهان در طول میلیاردها سال، نور کهکشان‌ها پیش از رسیدن به زمین به سمت انتهای قرمز طیف الکترومغناطیسی کشیده می‌شود و این جابه‌جایی به قرمز است که به دسی امکان می‌دهد تا عمق آسمان را ببیند.
به‌طور کلی، هر چه طیف کهکشان بیشتر به سمت قرمز منتقل شود، بیانگر دورتر بودن آن است. با در دست داشتن یک نقشه‌ی سه‌بعدی از کیهان، فیزیکدانان می‌توانند خوشه‌ها و اَبَرخوشه‌های کهکشانی را ترسیم و طبقه‌بندی کنند. این ساختارها پژواکی از شکل‌گیری اولیه‌ی خود را نهفته دارند، زمانی که فقط موج‌هایی در نوزادی جهان بودند. با بررسی این پژواک‌ها فیزیکدانان می‌توانند از داده‌های DESI برای تعیین تاریخچه‌ی انبساط کیهان استفاده کنند.
گای گفت: «هدف علمی ما اندازه‌گیری اثر این امواج در پلاسمای اولیه است. شگفت‌آور است که ما واقعا می‌توانیم تأثیر این اموج را میلیاردها سال بعد در نقشه‌برداری خود تشخیص دهیم.»
درک تاریخچه‌ی انبساط کیهان بسیار مهم است و چیزی کمتر از سرنوشت نامعلوم کل جهان نیست. امروزه حدود ۷۰ درصد از محتوای کیهان را انرژی تاریک تشکیل می‌دهد، شکلی مرموز از انرژی که سرعت انبساط کیهان را بیشتر می‌کند.
با انبساط کیهان، انرژی تاریک بیشتری به‌وجود می‌آید که به نوبه‌ی خود دوباره سرعت انبساط را افزایش می‌دهد و با این چرخه، سهم انرژی تاریک در کیهان همواره بیشتر می‌شود. در نهایت انرژی تاریک سرنوشت جهان را تعیین می‌کند: آیا جهان برای همیشه گسترش می‌یابد؟ آیا در یک مِهبانگ (Big Bang) معکوس دوباره روی خود فرو می‌ریزد؟ یا دچار مِه‌گسست (Big Rip) می‌شود؟
پاسخ به این پرسش‌ها نیاز به فراگیری بیشتر درباره‌ی چگونگی رفتار انرژی تاریک در گذشته است و این دقیقا همان چیزی است که دسی برای انجام آن طراحی شده است و دانشمندان با مقایسه‌ی تاریخچه‌ی انبساط کیهان با تاریخچه‌ی رشد آن، می‌توانند بررسی کنند که آیا نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین بر این گستره‌های عظیم فضا-زمان صدق می‌کند یا خیر؟
سیاهچاله‌ها و کهکشان‌های درخشان
برای درک سرنوشت جهان همچنان نیاز به نقشه‌برداری‌های بیشتری توسط دسی است. ابزاری که در حال پیشبرد درک ما از گذشته‌ی دور است، بیش از ۱۰ میلیارد سال پیش، زمانی که کهکشان‌ها هنوز جوان بودند.
«راگادیپیکا پوچا» (Ragadeepika Pucha) دانشجوی کارشناسی ارشد نجوم دانشگاه آریزونا و همکار این پروژه گفت: «بسیار شگفت‌انگیز است. دسی درباره‌ی فیزیک شکل‌گیری و تکامل کهکشان‌ها بیشتر از قبل به ما خواهد گفت.»
بوچا و همکارانش از داده‌های دسی برای درک رفتار سیاهچاله‌های با جرم متوسط در کهکشان‌های کوچک استفاده می‌کنند. تصور می‌شود که سیاهچاله‌های عظیم تقریبا در هسته‌های هر کهکشان بزرگی مانند کهکشان راه شیری وجود دارند. اما اینکه آیا کهکشان‌های کوچک هم همواره سیاهچاله‌های (کوچک‌تر) را در مرکز خود دارند یا خیر، هنوز مشخص نیست.
یافتن سیاهچاله‌ها به خودی خود تقریبا غیرممکن است. اما اگر این اجرام مواد کافی را به درون خود جذب کنند، تشخیص آن‌ها آسان‌تر می‌شود. هنگامی که گاز، غبار و دیگر چیزهایی که در سیاهچاله می‌ریزند (تا دمایی داغ‌تر از هسته‌ی یک ستاره) در مسیر خود داغ می‌شوند، یک «هسته‌ی کهکشانی فعال» (Active Galactic Nucleus) یا AGN تشکیل می‌شود.
هسته‌های کهکشانی فعال در کهکشان‌های بزرگ، از درخشان‌ترین اجرام در جهان شناخته شده هستند. اما در کهکشان‌های کوچک‌تر اجرام AGN می‌توانند بسیار کم‌نورتر باشند و بنابراین تشخیص آن از ستاره‌های تازه متولد شده سخت‌تر است.
اختروش تازه‌ای که توسط دسی کشف شد، نگاهی اجمالی به ۱۳ میلیارد سال پیش کیهان می‌دهد. این دورترین کوازار است که تا کنون توسط دسی کشف شده است.
Credit: Jinyi Yang, Steward Observatory/University of Arizona
طیف‌های ثبت شده توسط ابزار کاوش انرژی تاریک DESI می‌تواند به حل این مشکل کمک کند و گستره‌ی وسیع کاوش آن در سراسر آسمان، نسبت به قبل اطلاعات بیشتری درباره‌ی هسته‌ی فعال کهکشان‌های کوچک ارائه می‌دهد. این هسته‌ها به نوبه‌ی خود سرنخ‌هایی درباره‌ی چگونگی شکل‌گیری اجرام AGN درخشان در کیهان اولیه به دانشمندان می‌دهند.
«کوازارها» (Quasars) یا اختروش‌ها انواعی خاص از کهکشان‌ها و از درخشان‌ترین و دورترین اجرام شناخته شده در کیهان هستند. «ویکتوریا فاست» (Victoria Fawcett) فارغ‌التحصیل نجوم دانشگاه دورهام بریتانیا گفت: «من دوست دارم آن‌ها را مانند تیرهای چراغ برق درنظر بگیرم که نگاه ما را در تاریخ کیهان به گذشته می‌برند. کوازارها به دلیل قدرت خالص خود، کاوشگرهای عالی کیهان اولیه هستند و کمک می‌کنند داده‌های دسی به ۱۱ میلیارد سال پیش بازگردد.»
او و همکارانش از داده‌های دسی برای درک تکامل خود کوازارها استفاده می‌کنند. تصور می‌شود که اختروش‌ها با پوششی از غبار دربر گرفته شده‌اند، که نوری را که از آن‌ها ساطع می‌شود، قرمز (به سوی طیف قرمز جابه‌جا) می‌کند؛ مانند نور خورشید که از میان مه گذشته باشد. سپس با بالا رفتن سن، این غبار از بین می‌رود و اختروش آبی‌تر دیده می‌شود.
چون داده‌های کمی درباره‌ی اختروش‌های سرخ وجود دارد، آزمایش این نظریه دشوار بوده است. اکنون ابزار کاوش انرژی تاریک دسی در حال تغییر این روند است و نسبت به هر جست‌وجوی قبلی، اختروش‌های بیشتری را پیدا می‌کند و برآورد می‌شود که در داده‌های نهایی ۲٫۴ میلیون اختروش را شناسایی کند.
فاست گفت: «دسی واقعا عالی است زیرا اجرام بسیار کم‌نورتر و قرمزتر را هم ثبت می‌کند. این به دانشمندان امکان می‌دهد تا ایده‌هایی را که قبلا درباره‌ی تکامل اختروش‌هایی ممکن نبود، آزمایش کنند.»
این کاوش، فقط به اختروش‌ها محدود نمی‌شود. فاوست گفت: «ما در حال یافتن سیستم‌های عجیب‌وغریب زیادی هستیم، ازجمله نمونه‌های بزرگی از اجرام کیهانی نادر که قبلا نتوانسته‌ایم جزئیات آن‌ها را مطالعه کنیم.»
همچنان چیزهای بیشتری برای کشف توسط دسی وجود دارد. این جست‌وجو تا کنون بیش از ۷٫۵ میلیون کهکشان را فهرست‌بندی کرده است و با نرخ بیش از یک میلیون در ماه به تعداد کهکشان‌های فهرست شده، اضافه می‌کند. تنها در نوامبر ۲۰۲۱ (آبان ۱۴۰۰) این ابزار جابه‌جایی به قرمز ۲٫۵ میلیون کهکشان را فهرست‌بندی کرد.
انتظار می‌رود دسی تا پایان کار خود در سال ۲۰۲۶ دسی بیش از ۳۵ میلیون کهکشان را فهرست‌بندی کند و گستره‌ی عظیمی از تحقیقات کیهان‌شناسی و اخترفیزیک را ممکن سازد. پوچا گفت: «همه‌ی این داده‌ها وجود دارند و فقط در انتظار تجزیه‌وتحلیل هستند. بر اساس این داده‌ها، ما چیزهای بسیار شگفت‌انگیزی درباره‌ی کهکشان‌ها خواهیم یافت.»
دسی توسط دفتر علوم DOE و مرکز محاسبات علمی تحقیقات انرژی ملی که یک مرکز کاربری وابسته به دفتر علوم وزارت انرژی آمریکا است، پشتیبانی می‌شود. بنیاد ملی علوم آمریکا، شورای تأسیسات علم و فناوری انگلستان، «بنیاد گوردون و بتی مور» (Gordon and Betty Moore Foundation)، «بنیاد هیزینگ-سایمونز» (Heising-Simons Foundation)، کمیسیون انرژی‌های جایگزین و انرژی اتمی فرانسه (CEA)، شورای ملی علم و فناوری مکزیک و وزارت اقتصاد اسپانیا از دیگر پشتیبان‌های این ابزار علمی هستند.
عکس کاور: بخشی از نقشه‌ی سه‌بعدی کهکشان‌ها که در هفت ماه نخست فعالیت دسی تهیه شده است.
Credit: D. Schlegel/Berkeley Lab using data from DESI
منبع: SciTechDaily
