Die DESI-Daten des ersten Jahres liefern beispiellose Messungen des expandierenden Universums

Wissenschaftler haben die ersten Daten aus der Mission des Dark Energy Spectroscopic Instrument analysiert, das Universum zu kartieren und die Geheimnisse der dunklen Energie zu entschlüsseln.

Mit 5.000 winzigen Robotern in einem Berggipfel-Teleskop ermöglicht das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) Forschern einen Blick 11 Milliarden Jahre in die Vergangenheit. Licht von entfernten Objekten im Weltraum hat gerade DESI erreicht und ermöglicht es Wissenschaftlern, den Kosmos so zu kartieren, wie er in seiner Jugend war, und gleichzeitig sein Wachstum zu verfolgen. Zu verstehen, wie sich das Universum entwickelt hat, hängt mit einem der größten Geheimnisse der Physik zusammen: der dunklen Energie, von der Forscher glauben, dass sie für die Expansion des Universums verantwortlich ist.

DESI ist eine internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit, an der mehr als 800 Wissenschaftler aus der ganzen Welt beteiligt sind. Unter ihnen sind Forscher der Cosmology Group der University of Rochester, einer interdisziplinären Gruppe, zu der Professoren, Postdoktoranden, Doktoranden und Studenten der Physik, Astronomie, Datenwissenschaft und Informatik gehören. Die Gruppe wird gemeinsam von Regina Demina, Professorin für Physik, geleitet. Segev BenZvi, außerordentlicher Professor für Physik; und Kelly Douglass, Assistenzprofessorin für Physik und Astronomie (Pädagogik).

DESI befindet sich derzeit mitten in einer fünfjährigen Mission, um 40 Millionen Galaxien und Quasare zu vermessen und die größte jemals erstellte 3D-Karte des Kosmos mit den bisher präzisesten Messungen zu erstellen. Die Untersuchung des Instruments begann im Jahr 2021, und Forscher gaben kürzlich ihre Analyse der im ersten Jahr gesammelten Daten bekannt, darunter Messungen der Expansionsrate und der Zusammensetzung des Universums. Sie veröffentlichten ihre Analyse in mehreren Artikeln zum Thema arXiv Preprint-Server.

„Die DESI-Daten stellen eine enorme Größenzunahme gegenüber allem dar, was wir bisher gesammelt haben“, sagt Douglass. „Die Auswahl an Galaxien und Quasaren aus DESIs erstem Jahr ist bereits sechsmal größer als die kombinierten Messungen aller früheren spektroskopischen Studien, die in den letzten 40 Jahren durchgeführt wurden.“

Und die Daten des ersten Jahres seien erst der Anfang, fügt Demina hinzu: „Der vollständige Datensatz wird es uns ermöglichen, einen genaueren Blick auf die Anfänge unseres Universums zu werfen, eine Zeit, in der das Universum eine schnelle exponentielle Expansion erlebte.“

Optische Augen am Himmel

Das DESI-Instrument befindet sich am modernisierten Mayall-Teleskop am Kitt Peak National Observatory der National Science Foundation in der Nähe von Tucson, Arizona. Das Instrument verfügt über eine Optik, die das Sichtfeld des Teleskops vergrößert, und umfasst 5.000 robotergesteuerte optische Fasern, um spektroskopische Daten von Objekten im Sichtfeld des Teleskops zu sammeln und die dreidimensionalen Positionen von Galaxien und Quasaren im Universum zu untersuchen.

Die Rochester-Gruppe ist seit 2017 Teil von DESI. Gruppenmitglieder haben eine Schlüsselrolle bei der Inbetriebnahme und dem Betrieb des Instruments gespielt, einschließlich der Entwicklung und Fehlerbehebung von Software, um sicherzustellen, dass alle 5.000 Fasern optimal auf ihre Ziele ausgerichtet sind.

Mitglieder der Rochester-Gruppe trugen auch maßgeblich zur Validierung der Daten des ersten Jahres bei, einschließlich der Untersuchung systematischer Unsicherheiten (potenzielle Fehler oder Variationen), die sich auf Messungen auswirken könnten, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse besser sicherzustellen.

Entschlüsselung der Expansion des Universums und der dunklen Energie

DESI wurde entwickelt, um baryonische akustische Oszillationen (BAO) zu messen, riesige blasenartige Strukturen, denen Galaxien folgen und die durch Bedingungen kurz nach dem Urknall entstanden sind. In seinem ersten Jahr nutzte DESI 5,7 Millionen Galaxien und Quasare aus seiner spektroskopischen Probe, um die Größe des BAO zu messen und die Expansionsrate des Universums abzuschätzen, eine Größe, die als Hubble-Konstante bekannt ist.

BAOs werden auch verwendet, um die Dichte dunkler Materie und dunkler Energie zu begrenzen. Wissenschaftler glaubten lange, dass sich das Universum mit konstanter Geschwindigkeit ausdehnt, doch 1999 wurde festgestellt, dass sich die Expansionsrate beschleunigte. Es wird angenommen, dass dunkle Energie die Ursache für die Beschleunigung ist.

Einige Theorien gehen davon aus, dass ein oder mehrere Skalarfelder (unsichtbare Kräfte, die das Universum ausdehnen) zur Dunklen Energie beitragen, ähnlich dem Skalarfeld, von dem angenommen wird, dass es für das inflationäre Wachstum des Universums kurz nach dem Urknall verantwortlich ist.

„Bisher kennt die Menschheit nur ein Skalarfeld: das Higgs-Feld“, erklärt Demina, die Teil des Teams war, das 2012 das Higgs-Feld mit dem Large Collider of Hadrons am CERN in der Schweiz entdeckte. „Jetzt ist es an der Zeit zu prüfen, ob es noch mehr solcher Felder gibt.“

Eine weitere Frage, die DESI beantworten möchte, ist, ob dunkle Energie überall im Universum einen konstanten Wert hat – die sogenannte kosmologische Konstante – oder ob sich ihre Eigenschaften in Zeit und Raum unterscheiden. Obwohl DESIs BAO-Messungen im ersten Jahr mit einer kosmologischen Konstante übereinstimmen, sprechen sie leicht für ein Modell, das darauf hindeutet, dass Dunkle Energie ein sich entwickelndes oder „dynamisches“ Feld ist.

Laut BenZvi „könnten die Beweise für die Entwicklung der Dunklen Energie sehr interessant sein, aber es könnte sich auch um eine zufällige Fluktuation handeln.“ Wir können uns erst sicher sein, wenn wir uns den nächsten Datenstapel ansehen. Die aktuelle Schätzung geht von Ende 2025 für die nächste Veröffentlichung aus.“