بزرگ ترین نقشه سه بعدی کیهان جزئیات تازه ای از انرژی تاریک آشکار کرد - تنها پیامک

این تنها حدود 10 درصد از جهت مأموریت پنج ساله این ابزار شگفت انگیز علمی است. پس از تکمیل، این نقشه سه بعدی با جزئیات زیاد، درک بهتری از انرژی تاریک و درنتیجه از گذشته و آینده کیهان در اختیار فیزیکدانان و ستاره شناسان می گذارد. با این وجود عملکرد فنی چشمگیر و دستاوردهای این نقشه برداری کیهانی حتی اکنون به دانشمندان یاری می نماید تا اسرار قدرتمندترین منابع نور در دنیا را آشکار نمایند.

ابزار طیف سنجی انرژی تاریک (Dark Energy Spectroscopic Instrument) که به اختصار دسی (DESI) نامیده می گردد، یک همکاری بین المللی است که به وسیله آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (Berkeley Lab) وزارت انرژی آمریکا (DOE) و با بودجه اولیه ساخت و بهره برداری از سوی دفتر علوم DOE اداره می گردد.

دانشمندان DESI در حال ارائه عملکرد این ابزار و بعضی از نتایج اولیه اخترفیزیکی آن طی وبینار موسوم به عرصه کیهانی (CosmoPalooza) به وسیله آزمایشگاه برکلی هستند که در آن بعلاوه به روزرسانی هایی از دیگر آزمایش های کیهان شناسی پیشروی این آزمایشگاه ارائه خواهد شد.

جولین گای (Julien Guy) دانشمند آزمایشگاه برکلی گفت: زیبایی های زیادی در این نتایج وجود دارد. در توزیع کهکشان ها در نقشه سه بعدی، خوشه ها، رشته ها و حفره های بزرگی دیده می شوند. این ها بزرگ ترین ساختارهای کیهان هستند. اما از سوی دیگر، درون آن ها رد پایی از دنیا بسیار ابتدایی و تاریخچه انبساط از آن موقع را می یابید.

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 انتها ساخت آن در سال 2015 میلادی (1394 خورشیدی) آغاز شد. این ابزار در تلسکوپ 4 متری نیکلاس می آل در رصدخانه ملی قله کیت (Kitt Peak National Observatory) نصب شده است.

رصدخانه ملی قله کیت در نزدیکی توسان آریزونا، برنامه ای از آزمایشگاه NOIRLab بنیاد ملی علوم (NSF) آمریکا است و وزارت انرژی آمریکا برای اداره ابزار دسی روی تلسکوپ می آل با آن قرارداد دارد. این ابزار، نخستین نورگیری خودر را اواخر سال 2019 انجام داد اما در ادامه و در مرحله اعتبارسنجی، همه گیری ویروس کرونا باعث تعطیلی چند ماهه آن شد؛ هرچند بعضی فعالیت ها از راه دور ادامه یافت. در دسامبر 2020 (آذر 1399) دسی دوباره چشمان خود را به سمت آسمان معطوف و سخت افزار و نرم افزار خود را آزمایش کرد. این ابزار علمی در نهایت در می 2021 (اردیبهشت 1400) آماده شد و آنالیز های علمی خود را آغاز کرد.

کار بر روی توسعه خود ابزار دسی، با آغاز نقشه برداری کیهان به خاتمه 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 می نمایند که این ابزار به صورت درست و اتوماتیک و به صورت ایدئال بدون احتیاج به هیچ ورودی در طول یک شب رصدی فعالیت می نماید. به گفته هونشاید طبق بازخوردی که از کارکنان و رصدگران شب دریافت می نماید، این شیفت ها معمولا خسته نماینده هستند اما این یک خبر خوب برای تیم محسوب می گردد زیرا نشان می دهد که ابزار کاملا اتوماتیک عمل می نماید.

این بهره وری یکنواخت اما احتیاجمند کنترل دقیق بر هر یک از 5000 ربات پیشرفته ای است که فیبرهای نوری را روی دستگاه دسی حانمایی و اطمینان حاصل می نمایند که موقعیت آن ها با دقتی تا 10 میکرون دقیق تنظیم شده است. او اضافه کرد: ده میکرون بسیار کوچک و کمتر از ضخامت موی انسان است. شما باید هر ربات را طوری قرار دهید که نور کهکشان هایی که میلیاردها سال نوری از ما فاصله دارند، جمع آوری کند. هر بار که به این سیستم فکر می کنم، تعجب می کنم که چگونه می توانیم آن را پیش ببریم. موفقیت دسی به عنوان یک ابزار، چیزی است که باید به آن افتخار کرد.

تماشا چهره واقعی انرژی تاریک

این سطح از دقت برای انجام وظیفه اصلی نقشه برداری یعنی جمع آوری تصاویر طیف رنگی دقیق از میلیون ها کهکشان در بیش از یک سوم کل آسمان لازم است. با تجزیه نور هر کهکشان به طیف رنگ های تشکیل دهنده آن، دسی می تواند تعیین کند که نور آن چقدر به سمت طیف سرخ جابه جا شده است. به علت انبساط کیهان در طول میلیاردها سال، نور کهکشان ها پیش از رسیدن به زمین به سمت انتهای قرمز طیف الکترومغناطیسی کشیده می گردد و این جابه جایی به قرمز است که به دسی امکان می دهد تا عمق آسمان را ببیند.

به طور کلی، هر چه طیف کهکشان بیشتر به سمت قرمز منتقل گردد، بیانگر دورتر بودن آن است. با در دست داشتن یک نقشه سه بعدی از کیهان، فیزیکدانان می توانند خوشه ها و اَبَرخوشه های کهکشانی را ترسیم و طبقه بندی نمایند. این ساختارها پژواکی از شکل گیری اولیه خود را نهفته دارند، زمانی که فقط موج هایی در نوزادی دنیا بودند. با آنالیز این پژواک ها فیزیکدانان می توانند از داده های DESI برای تعیین تاریخچه انبساط کیهان استفاده نمایند.

گای گفت: هدف علمی ما مقدار گیری اثر این امواج در پلاسمای اولیه است. شگفت آور است که ما واقعا می توانیم تأثیر این اموج را میلیاردها سال بعد در نقشه برداری خود تشخیص دهیم.

درک تاریخچه انبساط کیهان بسیار مهم است و چیزی کمتر از سرنوشت نامعلوم کل دنیا نیست. امروزه حدود 70 درصد از محتوای کیهان را انرژی تاریک تشکیل می دهد، شکلی مرموز از انرژی که سرعت انبساط کیهان را بیشتر می نماید.

با انبساط کیهان، انرژی تاریک بیشتری به وجود می آید که به نوبه خود دوباره سرعت انبساط را افزایش می دهد و با این چرخه، سهم انرژی تاریک در کیهان همواره بیشتر می گردد. در نهایت انرژی تاریک سرنوشت دنیا را تعیین می نماید: آیا دنیا برای همواره توسعه می یابد؟ آیا در یک مِهبانگ (Big Bang) معکوس دوباره روی خود فرو می ریزد؟ یا دچار مِه گسست (Big Rip) می گردد؟

پاسخ به این پرسش ها احتیاج به فراگیری بیشتر درباره چگونگی رفتار انرژی تاریک در گذشته است و این دقیقا همان چیزی است که دسی برای انجام آن طراحی شده است و دانشمندان با مقایسه تاریخچه انبساط کیهان با تاریخچه رشد آن، می توانند آنالیز نمایند که آیا نظریه نسبیت عام اینشتین بر این گستره های بزرگ فضا-زمان صدق می نماید یا خیر؟

سیاهچاله ها و کهکشان های درخشان

برای درک سرنوشت دنیا همچنان احتیاج به نقشه برداری های بیشتری به وسیله دسی است. ابزاری که در حال پیشبرد درک ما از گذشته دور است، بیش از 10 میلیارد سال پیش، زمانی که کهکشان ها هنوز جوان بودند.

راگادیپیکا پوچا (Ragadeepika Pucha) دانشجوی کارشناسی ارشد نجوم دانشگاه آریزونا و همکار این پروژه گفت: بسیار شگفت انگیز است. دسی درباره فیزیک شکل گیری و تکامل کهکشان ها بیشتر از قبل به ما خواهد گفت.

بوچا و همکارانش از داده های دسی برای درک رفتار سیاهچاله های با جرم میانه در کهکشان های کوچک استفاده می نمایند. تصور می گردد که سیاهچاله های بزرگ تقریبا در هسته های هر کهکشان بزرگی مانند کهکشان راه شیری وجود دارند. اما اینکه آیا کهکشان های کوچک هم همواره سیاهچاله های (کوچک تر) را در مرکز خود دارند یا خیر، هنوز تعیین نیست.

یافتن سیاهچاله ها به خودی خود تقریبا غیرممکن است. اما اگر این اجرام مواد کافی را به درون خود جذب نمایند، تشخیص آن ها آسان تر می گردد. هنگامی که گاز، غبار و دیگر چیزهایی که در سیاهچاله می ریزند (تا دمایی داغ تر از هسته یک ستاره) در جهت خود داغ می شوند، یک هسته کهکشانی فعال (Active Galactic Nucleus) یا AGN تشکیل می گردد.

هسته های کهکشانی فعال در کهکشان های بزرگ، از درخشان ترین اجرام در دنیا شناخته شده هستند. اما در کهکشان های کوچک تر اجرام AGN می توانند بسیار کم نورتر باشند و بنابراین تشخیص آن از ستاره های تازه متولد شده سخت تر است.

طیف های ثبت شده به وسیله ابزار کاوش انرژی تاریک DESI می تواند به حل این مشکل یاری کند و گستره وسیع کاوش آن در سراسر آسمان، نسبت به قبل اطلاعات بیشتری درباره هسته فعال کهکشان های کوچک ارائه می دهد. این هسته ها به نوبه خود سرنخ هایی درباره چگونگی شکل گیری اجرام AGN درخشان در کیهان اولیه به دانشمندان می دهند.

کوازارها (Quasars) یا اختروش ها انواعی خاص از کهکشان ها و از درخشان ترین و دورترین اجرام شناخته شده در کیهان هستند. ویکتوریا فاست (Victoria Fawcett) فارغ التحصیل نجوم دانشگاه دورهام بریتانیا گفت: من دوست دارم آن ها را مانند تیرهای چراغ برق درنظر بگیرم که نگاه ما را در تاریخ کیهان به گذشته می برند. کوازارها به علت قدرت خالص خود، کاوشگرهای عالی کیهان اولیه هستند و یاری می نمایند داده های دسی به 11 میلیارد سال پیش بازگردد.

او و همکارانش از داده های دسی برای درک تکامل خود کوازارها استفاده می نمایند. تصور می گردد که اختروش ها با پوششی از غبار دربر گرفته شده اند، که نوری را که از آن ها ساطع می گردد، قرمز (به سوی طیف قرمز جابه جا) می نماید؛ مانند نور خورشید که از میان مه گذشته باشد. سپس با بالا رفتن سن، این غبار از بین می رود و اختروش آبی تر دیده می گردد.

چون داده های کمی درباره اختروش های سرخ وجود دارد، آزمایش این نظریه سخت بوده است. اکنون ابزار کاوش انرژی تاریک دسی در حال تغییر این فرایند است و نسبت به هر جست وجوی قبلی، اختروش های بیشتری را پیدا می نماید و برآورد می گردد که در داده های نهایی 2.4 میلیون اختروش را شناسایی کند.

فاست گفت: دسی واقعا عالی است زیرا اجرام بسیار کم نورتر و قرمزتر را هم ثبت می نماید. این به دانشمندان امکان می دهد تا ایده هایی را که قبلا درباره تکامل اختروش هایی ممکن نبود، آزمایش نمایند.

این کاوش، فقط به اختروش ها محدود نمی گردد. فاوست گفت: ما در حال یافتن سیستم های عجیب وغریب زیادی هستیم، ازجمله نمونه های بزرگی از اجرام کیهانی نادر که قبلا نتوانسته ایم جزئیات آن ها را مطالعه کنیم.

همچنان چیزهای بیشتری برای کشف به وسیله دسی وجود دارد. این جست وجو تا کنون بیش از 7.5 میلیون کهکشان را لیست بندی نموده است و با نرخ بیش از یک میلیون در ماه به تعداد کهکشان های لیست شده، اضافه می نماید. تنها در نوامبر 2021 (آبان 1400) این ابزار جابه جایی به قرمز 2.5 میلیون کهکشان را لیست بندی کرد.

انتظار می رود دسی تا خاتمه کار خود در سال 2026 دسی بیش از 35 میلیون کهکشان را لیست بندی کند و گستره بزرگی از تحقیقات کیهان شناسی و اخترفیزیک را ممکن سازد. پوچا گفت: همه این داده ها وجود دارند و فقط در انتظار تجزیه وتحلیل هستند. بر اساس این داده ها، ما چیزهای بسیار شگفت انگیزی درباره کهکشان ها خواهیم یافت.

دسی به وسیله دفتر علوم DOE و مرکز محاسبات علمی تحقیقات انرژی ملی که یک مرکز کاربری وابسته به دفتر علوم وزارت انرژی آمریکا است، پشتیبانی می گردد. 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 انرژی های جایگزین و انرژی اتمی فرانسه (CEA)، شورای ملی علم و فناوری مکزیک و وزارت اقتصاد اسپانیا از دیگر پشتیبان های این ابزار علمی هستند.

عکس کاور: بخشی از نقشه سه بعدی کهکشان ها که در هفت ماه نخست فعالیت دسی تهیه شده است.

Credit: D. Schlegel/Berkeley Lab using data from DESI

منبع: SciTechDaily