اخترفیزیکدانان بزرگترین نقشه کیهان را منتشر کردند (قسمت اول)
یک ابزار نجومی قدرتمند به نام DESI میلیونها کهکشان را در آسمان شب نقشه برداری میکند. آیا میتواند به دانشمندان کمک کند تا در نهایت بفهمند انرژی تاریک چیست؟
رصدخانه ملی کیت پیک، نزدیک توسان، آریزونا، جایی که DESI در آن نصب شده است. عکس: مریلین سارجنت/آزمایشگاه برکلی
تنها پس از هفت ماه، تیم عظیمی از دانشمندان که با ابزار طیفسنجی انرژی تاریک کار میکنند، در حال حاضر بخش بزرگتری از کیهان را نسبت به تمام بررسیهای سهبعدی دیگر نقشهبرداری کردهاند و از آنجایی که آنها تنها 10 درصد از ماموریت پنج ساله خود را طی میکنند، چیزهای بیشتری در راه است.
DESI که مانند نام دسی آرناز تلفظ میشود، یک شبکه کیهانی تماشایی از بیش از 7.5 میلیون کهکشان را نشان داده است و تا 40 میلیون کهکشان را اسکن خواهد کرد. این ابزار توسط وزارت انرژی ایالات متحده تامین مالی شده و در تلسکوپ 4 متری نیکلاس یو مایال در رصدخانه ملی کیت پیک در نزدیکی توسان، آریزونا نصب شده است. فواصل دقیق کهکشانها از زمین و نور ساطع شده آنها را در طیف وسیعی از طول موجها اندازهگیری میکند و به طور همزمان به کمیت و کیفیت میرسد) مترجم: هم از لحاظ اندازهگیری و هم در عمل نقشههای دقیقتری حاصل میشود). در نهایت حدود 14000 درجه مربع یعنی حدود یک سوم آسمان را پوشش خواهد داد. علم به دست آمده از تجزیه دادهها هنوز در راه است (تا کامل شدن)، اما به ویژه به اخترفیزیکدانان در هنگام بررسی چگونگی انبساط جهان کمک خواهد کرد.
این واقعا یک ماجراجویی فوقالعاده است. ما توانستهایم با وجود همهگیری ویروس کرونا کار را ادامه دهیم. جولین گای، دانشمند پروژه DESI در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، مؤسسه اصلی این همکاری، میگوید: ما مجبور شدیم چند ماه دست از کار بکشیم و سپس خود را با شرایط جدید وقف دادیم. اکنون مشاهدات و پردازش دادهها عمدتاً خودکار هستند. او میگوید هر روز صبح، دانشمندان اطلاعاتی در مورد 100000 کهکشان جمعآوری شده در طول شب به دست میآورند.
شگفتانگیز است که این ابزار چقدر خوب کار میکند و چقدر خوب طراحی شده است تا فواصل این کهکشانها را به دست آورد.
جیسون رودز، دانشمند تحقیقاتی در آزمایشگاه نیرو محرکه (رانش) جت در پاسادنا که در حال کار بر روی تلسکوپهای فضایی برای نقشهبرداری کهکشانها در جهان اولیه است میگوید: این یک ماشین فوقالعاده کارآمد است، برای (برداشت) و یا حاصلبخش بودن این اندازهگیریها به روشی که حتی دو دهه پیش (غیر قابل دسترس) و حیرتانگیز بود.
Sloan Digital Sky Survey (سمت چپ) و ابزار طیفسنجی انرژی تاریک (راست) در حال گرفتن نوری هستند که در زمانی که جهان کمتر از نصف سن کنونی خود بود، ساطع شده بود. تصویر از D. Schlegel/Berkeley Lab با استفاده از دادههای DESI
DESI در واقع از چندین دستگاه نصب شده در گنبد چهارده طبقه تلسکوپ تشکیل شده است. صفحه کانونی دایرهای نزدیک به بالای تلسکوپ قرار دارد و از 10 گلبرگ گوهای شکل تشکیل شده است که هر کدام دارای 500 ربات کوچک است. آنها همان چیزی هستند که ابزار نقشه برداری کهکشانی را قابل کار میکنند: این 5000 موتور رباتیک بهاندازه مداد، فیبرهای نوری را قرار میدهند که باید با دقت در 10 میکرون – کمتر از ضخامت موی انسان – قرار گیرند. این ابزار را قادر میسازد تا دادههای دقیق 5000 کهکشان را به طور همزمان جمعآوری کند. سپس تلسکوپ به ناحیه دیگری از آسمان شب اشاره میکند و در 5000 کهکشان یا شی بعدی شروع به کار میکند. در نقطه مقابل، در مجموعه نقشهبرداری DESI، Sloan Digital Sky Survey که در تلسکوپی در جنوب نیومکزیکو مستقر بود، دانشمندان مجبور بودند برای هر مجموعه اندازهگیری، سوراخهایی را به صورت دستی در یک صفحه آلومینیومی دایرهای در کانون تلسکوپ ایجاد کنند و برای هر کهکشانی که میخواستند رصد کنند، الیاف کوچکی را به آن متصلمیکردند.
در پایین تلسکوپ، طیفنگارهای DESI قرار دارند که نور هر کهکشان را مانند رنگین کمان به طیف کامل رنگهای آن تجزیه میکنند. این امر به آنها اجازه میدهد تا «انتقال به سرخ» کهکشان را اندازهگیری کنند که دقیقاً به دانشمندان میگوید که چقدر دور است. (نور اجسامی که با انبساط جهان از زمین دور میشوند، به دلیل طول موج طولانیتر برای ما قرمزتر به نظر میرسد.)
با دادههایی که گای و تیمش از قبل در اختیار دارند، آنها میتوانند ساختارهای پیچیده و تارمانندی از کهکشانها را ببینند که در فاصله بیش از 10 بیلیون سال نوری از ما هستند و آنها را بررسی کنند- به این معنی که آنها نوری را که زمانی که جهان کمتر از نصف سن کنونیاش بود (مثلا حدود 4 بیلیون سال) ساطع میکنند. هنگامی که شما به آسمان در یک شب صاف نگاه میکنید، میتوانید وسعت و پهناوری راه شیری را نه فقط با چند ستاره با اسکن نمودن تمام آسمان تشخیص دهید. به طور مشابه، DESI این ابرساختارهای کهکشانی را تنها با نقشهبرداری سیستماتیک تعداد زیادی از کهکشانها در سطح وسیعی از آسمان کشف میکند.
گای میگوید: این پروژه یک هدف علمی خاص دارد: اندازهگیری دقیق انبساط پرشتاب جهان. او به “انرژی تاریک” اشاره میکند، چیزی که به طور همزمان مرموز و همه جا حاضر است که تصور میشود حدود 70 درصد کیهان را تشکیل میدهد و باعث میشود که سریعتر و سریعتر گسترش یابد. گای و همکارانش امیدوارند که روشن کنند انرژی تاریک واقعا چیست؟ بررسی آنها همچنین میتواند در نهایت یک مشکل نوظهور اخترفیزیک را حل کند: دانشمندانی که نرخ انبساط جهان نزدیک را زمانی که تقریباً سن فعلی آن بود اندازهگیری میکنند – – و دانشمندانی که سرعت انبساط جهان را در دوران ابتداییاش اندازهگیری میکنند، پاسخهای متفاوتی دریافت میکنند. هیچکس نمیداند که چگونه اختلاف مداوم را توضیح دهد، اما اگر DESI نشان دهد که انرژی تاریک به نحوی تکامل مییابد، ممکن است مشکل حل شود.
گای و تیمش اولین انتشار دادههای DESI خود را برای سال 2023 برنامهریزی میکنند. این انبوه عظیم دادهها آنها را قادر میسازد تا دانشمندان متعددی مطالعه میلیونها کهکشان را امتحان کنند و در عین حال آمار جدید و ابزارهای یادگیری ماشینی را توسعه دهند. “من کنجکاو هستم که با چنین حجم زیادی از دادهها چه کاری میتوان با هوش مصنوعی یا یادگیری عمیق انجام داد (یادگیری عمیق یک تکنیک یادگیری ماشینی است که به رایانهها میآموزد تا کارهایی را انجام دهند که به طور طبیعی انسان تجربه میکند: مانند یادگیری با مثال. … در یادگیری عمیق، یک مدل یا طرح کامپیوتری یاد میگیرد که وظایف طبقهبندی را مستقیماً از روی تصاویر، متن یا صدا انجام دهد.) ممکن است بتوانید چیزی غیرعادی پیدا کنید که انتظار نمیرود. شرلی هو، کیهانشناس در موسسه فلاتیرون در شهر نیویورک و محقق سابق Sloan Digital Sky Survey میگوید این چیزی است که من برای آن هیجانزده هستم.
تا چند سال دیگر، DESI تنها اطلس کهکشانی فراگیر در شهر نخواهد بود. از سال آینده، رصدخانه ورا روبین با بودجه بنیاد ملی علوم که بر روی کوهی خشک در شمال شیلی ساخته میشود، فهرستبندی با دقت کمتر از بیلیونها کهکشان را انجام خواهد داد. اخترفیزیکدانان همچنین در حال آماده شدن برای فضاپیمای اقلیدس آژانس فضایی اروپا با تاریخ پرتاب برنامهریزی شده در سال 2023 و تلسکوپ فضایی نانسی رومن گریس ناسا هستند که قرار است در سال 2027 پرتاب شود. آنها هر دو ابزار را برای اندازهگیری فواصل و طیف کهکشانها در اختیار خواهند داشت و نقشه آنها را زمانی که کیهان چند بیلیون سال از عمرش میگذرد نسبت به آنچه DESI میتواند ببیند، در بخشهایی از عمق جهان ترسیم میکند، به عبارتی از نظر کیهانشناسی (زمانی که کیهان در سن یک کودک بوده است )- و شکل گرفته است. هم اقلیدس و هم رومن روی DESI برای بدست آوردن نقشه جهان نزدیک (مطالعات جهان نزدیک منطقهای به شعاع تقریباً 1 بیلیون سال نوری را در بر میگیرد که تأثیرات تکامل کیهانی روی آن اندک است. در این حجم کهکشانها و اجرام مرتبط اساساً در پیکربندیهای امروزی خود منجمد شدهاند.). رودز میگوید، آنها بر اساس کاری که DESI انجام میدهد به شیوهای جالب استوار خواهند شد.
برای هو، DESI و دیگر نقشههای کیهانی غولپیکر به عنوان یادآوری از کوچک بودن بشریت در جهان هستند. «این واقعیت که ما میتوانیم به کهکشانهای زیادی نگاه کنیم که دستاورد بزرگی است. اما هر یک از آن کهکشانها دارای یک بیلیون ستاره است و هر یک از آن ستارهها ممکن است سیستمی مانند ما (منظومه شمسی) داشته باشند. “من فکر میکنم این یک تجربه فروتنانه است که بفهمیم چقدر بیاهمیت هستیم.
ترجمه و جمعآوری مطالب: مرتضی نادریفرد
منبع:
Astrophysicists Release the Biggest Map of the Universe Yet
https://www.wired.com/story/astrophysicists-release-the-biggest-map-of-the-universe-yet/