A project of the Dark Energy Survey collaboration

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比最好更好的事

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少尉,杰克· 杰森。西点军校。优秀毕业生。报告长官,我们来这儿是因为你需要比佼佼者中的最好还要更好的人!——《黑衣人》

 

穹顶之下,暗能量巡天需要最澄澈的天空以获取最精美的影像和最优质的宇宙膨胀线索。

 

在暗能量巡天的网站上,你可以看到很多由暗能量相机拍摄的精美星系图片。这些星系形状、大小、颜色各不相同,但有一处是相通的:它们都在飞速驶离银河系,时速高达每小时几亿英里——宇宙正在膨胀,这件事情我们已经知道了快90年。

 

如果我们有办法记录每个星系的速度,猜猜看,这些速度是一直不变的呢?还是正在加速,或者减速?因为银河系引力的牵扯,艾萨克· 牛顿也许会猜减速,因为扔到空中的苹果会因为地球引力的作用速度慢慢减小(并最终掉下来)。但事实证明牛顿的引力观点是不适用的,这些星系正在加速,而不是减速。宇宙的膨胀正在加速,这件事情我们17年前才刚刚知道。暗能量巡天的300个侦探们正在进行一项长达五年的任务试图理解这个现象。在这个探索项目里,他们要对天空进行史上最大的“巡查”。

 

这个目标看起来过于“高大上”(确实如此)。本质上,暗能量巡天不过是在拍照片而已,拍很多很多的照片。如果进行顺利,暗能量巡天的侦探们一个晚上要拍大约250张天空的照片。五年的时间里,我们的文件夹里会累计起8万多张照片。每张照片的曝光时间大约是一分钟半,使遥远的星系也能有足够的光被捕捉到。在每张照片里,你可以找到大约8万个星系。这些照片涵盖了对每片天空50次的重复摄影。你要是想算你就自己算吧:反正我们最后拍摄到的星系有2亿之多!

 

 

我们研究暗能量——也就是导致宇宙加速的神秘力量——的一个方法是精准测量这2亿个星系的形状并相互比较。设想一下给2亿人(地球人口的三十五分之一)拍照片以研究人类人口的多样性。要最大化这些人类信息,你肯定想找职业摄影师在同等条件下拍最好的照片:光线要好,聚焦要准,相机还不能乱晃,你的模特也不准乱动。但是你总不能避免在这2亿人里,因为人和环境的差异,有些人拍出来要好看些。也许一些照片里面,有些模特动了一动,照片稍微模糊。另外一些照片背景光太强或者太弱,模特看不清楚。

 

同理,暗能量巡天希望能够为这2亿个星系拍到最美丽最精致的照片。作为天空的职业摄影师——天文学家,我们用的是世界上最好的相机——我们自己制作的的暗能量相机——进行拍摄。这个相机有570兆像素和5个超大透镜。它还有一套非常复杂的自动对焦系统以拍摄最最聚焦的照片。

 

当然,我们不需要闪光灯,因为这些星系里面可有几十亿个太阳在照明。

 

不过就像那些给人拍照的专业摄影师会遇到各种问题一样,大自然也时常会给我们天文学家制造些“麻烦”。暗能量相机安置在布兰科天文望远镜上,这台望远镜坐落于智利安第斯山脉的托洛洛山头。这个地方绝大多数的晚上都是晴空万里,但保不准什么时候就会有朵云彩飘过。即使我们能够完美聚焦,大气层中的湍流还会让星星变得一闪一闪的,也会让我们拍摄的星星和星系的照片变得模糊。我们的相机会接受所有所有从望远镜4米主镜上反射下来的光线。但是如果有气流冷锋,望远镜顶端的气温会比这个15吨主镜的温度略低,主镜上就有热气流升起,进一步模糊我们的影像。另外,相机拍到的头顶的照片最清晰——望远镜如果对着远离天顶的方向,星星和星系的光线就要穿过越多的大气层,被模糊的也越厉害;因为我们的任务涵盖大片的天空,我们总不能一直对着头顶拍摄。强风有时候也会从望远镜圆顶的天窗里通过,导致望远镜轻轻晃动,这也会让我们的照片有些模糊。另外,因为地球在自转,在一幅曝光里面,我们笨重的望远镜也要微微移动,以精确跟随我们的目标移动;如果这个过程有一点闪失,我们的照片也会——你应该已经猜到了——有些模糊。

 

 

因为这样和那样的原因,暗能量巡天拍摄的照片品质总会有些变化。有些晚上,天公作美,我们可以拍到很清晰的照片。另外一些晚上,事不如人意,拍的照片比较烂,结果就是我们会很难测量星系的形状。如果一幅照片过于模糊,我们就不会使用这张照片:我们会寻找机会重新对这些星系拍照。迄今为止,我们拍过的80%的照片都达到了使用标准。

 

观测季的绝大多数晚上,我们的相机后面有3个暗能量侦探在进行操作。每个观测员大概在这里待上一个星期,这样每个观测段(译者注:每年暗能量巡天的观测约为100多天)我们需要50个侦探进行“轮班”。2015年1月27日的晚上,正轮到我在望远镜这里进行观测。我的轮班正进行到一半,同行的还有其他两个人,分别是来自密歇根大学的张圆圆(Yuanyuan Zhang)和来自伊利诺伊大学香槟分校的安德鲁 纳德斯基(Andrew Nadolski)。那个晚上,安德鲁负责操控相机,我负责监测照片的质量,圆圆则是我们的小老板(小编注:圆圆可是DES头儿的头儿!因为本文的作者是整个暗能量巡天项目的负责人)。

 

那个晚上的天气状况非常好。虽然空气有点潮湿,大气层却是极其的平静和稳定。我们当时主要是使用红光和近红光滤波片进行拍摄。这主要是因为那天晚上有月亮,月亮的颜色其实非常的蓝,而红光和近红光的滤波片则可以阻拦绝大部分的散射月光,这样我们就可以看到天空里偏红的星系。比方说,在这张著名的摄制于优胜美地国家公园(美国,Yosemite National Park)的 《巨石,半圆山的容姿》(“Monolith, the Face of Half Dome”)里,安塞尔·亚当斯(Ansel Adams)就使用了红光(但不是近红外)滤波片以暗化天空制造对比效果。

 

那个晚上的当地时间0点28分,我们抓取了一个曝光编号为403841的照片。当时我们使用的是一个被称为“Z”波段的近红光滤波片。这个“Z”波段如此之红,以致于它已经处于人眼可见范围之外。但是数字相机,尤其是暗能量相机,却对近红光非常敏感。另外,我们的电脑会对拍到的每一幅照片进行即时处理,并将结果显示到一排显示器上,这样我们就可以判断我们数据是不是通过了筛选标准。当403841通过处理的时候,我们的程序显示这张照片极其清晰。进一步分析确认,这张照片是暗能量巡天自两年前观测启动开始到现在拍摄的3万5千张照片里面最清晰的一张。

 

这张照片如此之清晰(“锐”),以至于每颗星星只有0.6弧秒、也就是0.00017度的宽度。作为参考,这个宽度大概是从地球上看月球表面一个直径1千米的月坑的大小,或者也可以说,这是置于30米外的头发的宽度。

 

本页的图片展示的是着色过的403841号照片的一小部分,这一部分包含了一个巨大的螺旋星系,一些较小较暗淡的星系,以及银河系里的一些星星。红色圈里的星星大概0.6弧秒宽。你也许觉得这张照片没有我们网站上其他的彩色照片好看,但是这张图片更接近于我们未经处理的原片。暗能量巡天的“原片”要先送到位于伊利诺伊厄本那-香槟的国家超级计算中心(美国,National Center for Supercomputing Applications)进行处理(如果你不到40岁,你可以问问你们的父母,他们是不是还记得以前把原片送出去冲洗的情景),这样我们的暗能量侦探们才可以使用它们进行科学研究。

 

在暗能量巡天这里,我们有一个“牛掰”网页记录我们在5个波段拍到的最清晰的照片。我们的403841号已经在这个网页上占据了显要位置——它是5个波段最好的照片里面最好的一张。但是比最好的照片更好的是,这些记录总有一天要会被更更好的记录取代。

 

作者:暗能量侦探 乔什· 弗里曼,费米实验室、芝加哥大学 (Josh Frieman, Fermilab and the university of Chicago)

翻译:暗能量侦探 张Y(Y. Zhang)

翻译编辑:暗能量侦探 李T (T. Li)

 

另请注意:1月30日星期五的时候,我们在Reddit网站上做了一个“十万个为什么”的活动(Reddit AMA on Friday, Jan 30)。我们讨论了暗物质和暗能量的一些实例和证据。

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O melhor do melhor

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Segundo-Tenente, Jake Jenson. West Point. Graduado com louvor. Nós estamos aqui porque vocês estão procurando o melhor do melhor do melhor, senhor! – Homens de Preto

 

Os céus mais limpos nos dão as melhores imagens e produzem as melhores pistas para o enigma da expansão cósmica.

Faça um passeio através das pastas dos casos dos Detetives da Energia Escura, e você verá belas imagens de galáxias feitas com a Câmera da Energia Escura, ou Dark Energy Camera. Apesar de terem diferentes formas, tamanhos, e cores, essas galáxias têm algo em comum: todas elas estão se afastando da nossa Via-Láctea, a velocidades da ordem de dezenas a centenas de milhões de quilômetros por hora. O Universo está em expansão, algo que já sabemos há cerca de 90 anos.

Se nós pudéssemos registrar as velocidades de cada uma dessas galáxias ao longo do tempo, o que iríamos encontrar? Será que continuariam as mesmas, aumentariam, ou diminuiriam? Já que a gravidade da Via-Láctea dá um puxãozinho nelas, Isaac Newton nos diria que elas deveriam diminuir sua velocidade com o tempo, assim como uma maçã jogada para cima no ar diminui sua velocidade (e depois cai) graças ao puxão da gravidade terrestre. Entretanto Isaac estaria errado, as galáxias estão ficando cada vez mais rápidas, não mais lentas. A expansão do Universo está acelerando, algo que só descobrimos 17 anos atrás. Os 300 detetives do Dark Energy Survey (DES) embarcaram numa missão de cinco anos para compreender porque isso está acontecendo. Nessa jornada, eles estão conduzindo o maior levantamento do cosmos já feito.

Apesar desses objetivos parecerem sublimes e profundos (e são), na verdade a função do DES é tirar fotos. Um monte delas. Numa noite típica, detetives do DES tiram cerca de 250 fotos do céu. Depois de cinco anos, nós teremos mais de 80.000 fotos em nosso álbum. Para cada fotografia, o obturador fica aberto por cerca de um minuto e meio para deixar entrar uma quantidade suficiente de luz de galáxias distantes. Em cada imagem, você pode contar aproximadamente 80.000 galáxias. Quando juntamos todas essa imagens, e levando em consideração que cada parte do céu vai ser fotografada umas 50 vezes, chegamos a ter imagens de cerca de 200 milhões de galáxias, .

Uma das maneiras de se aprender mais sobre energia escura – essa coisa que supostamente está causando a expansão acelerada do universo – é medir precisamente a forma dessas 200 milhões de galáxias e comparar elas entre si. Imagine tirar fotos de 200 milhões de pessoas, aproximadamente uma em cada 35 pessoas na Terra, para aprender sobre a diversidade da raça humana. Para obter a maior quantidade possível de informação sobre a nossa espécie, você vai querer que todas as suas fotos sejam tiradas por um fotógrafo profissional e sempre sob excelentes condições: boa iluminação, foco perfeito, sem tremor das mãos do fotógrafo ou movimento da pessoa em foco durante a exposição, etc. Mas inevitavelmente, com 200 milhões de fotos, dados os caprichos da vida e das pessoas, algumas fotos vão ficar melhor que outras. Em algumas, o indivíduo fica fora de foco, em outras, a luz de fundo atrapalha o contraste.

No Dark Energy Survey, nós estamos nos esforçando para conseguir as fotografias mais nítidas e melhores possíveis dessas 200 milhões de galáxias. Na qualidade de fotógrafos profissionais do céu noturno (também conhecidos como astrônomos), nós estamos usando o melhor equipamento que há – a Dark Energy Camera – a qual construímos nós mesmos. A câmera tem 570 Megapixels e 5 lentes enormes. Ela tem um sofisticado sistema de auto-focus para nos dar sempre a melhor imagem possível.

Pode guardar o flash, já que as galáxias queimam com a luz de bilhões de sóis.

Assim como em fotografia de pessoas, a Natureza nem sempre colabora. A Dark Energy Camera está montada no telescópio Blanco, localizado em Cerro Tololo no Andes Chileno. Esse lugar tem quase sempre noites limpas, mas ocasionalmente, algumas nuvens passam por ali. Turbulência na atmosfera, a qual faz as estrelas piscarem, faz com que as imagens de estrelas e galáxias fiquem ligeiramente borradas, mesmo se a câmera esteja perfeitamente focada. A câmera trabalha tirando fotos de toda a luz que se reflete no espelho de 4 metros de diâmetro do telescópio. Mas se uma frente fria chega, fazendo o ar no domo do telescópio ficar mais frio do que o espelho de 15 toneladas, plumas de ar quente se erguendo do espelho também produzem imagens borradas. As imagens mais penetrantes são aquelas tiradas quando se aponta o telescópio diretamente para cima – a medida que nos afastamos da vertical em que apontamos o telescópio, a luz tem que atravessar mais camadas de ar na atmosfera, o que contribui para borrar a imagem; como o nosso levantamento cobre grandes trechos de céu, não podemos apontar na vertical o tempo todo. Ventos fortes soprando através das aberturas do domo podem fazer com que o telescópio balance um pouco durante um exposição, também borrando a imagem. Uma vez que a Terra tem um movimento de rotação, durante a exposição o grande e pesado telescópio tem que compensar esse movimento continuamente, se movendo de maneira suave para acompanhar o alvo; qualquer desvio do movimento vai – como você já deve adivinhar – borrar a imagem.

Por todas essas e outras razões, a qualidade das imagens do DES variam. Em algumas noites, condições conspiram de forma a nos dar imagens perfeitas. Em outras, as imagens são um pouco mais borradas do que gostaríamos, dificultando o trabalho de se medir o formato das galáxias distantes. Se uma imagem ficou borrada demais, nós não a incluímos no album: em outra noite voltamos para tirar uma foto daquela região em particular. Até agora, cerca de 80% das imagens que tiramos estão boas o suficiente para incluirmos no album.

Na maioria das noites durante nossa temporada de observação, nós temos três detetives operando a câmera; cada um de nós fica lá por cerca de uma semana, e durante a temporada cerca de 50 detetives se revezam, em “turnos”. Na noite de 27 de Janeiro de 2015 eu estava no meio de minha semana de observação no telescópio com outros dois colegas de investigação, Yuanyuan Zhang da Universidade de Michigan e Andrew Nadolski da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. Naquela noite, Andrew estava pilotando a câmera, eu estava checando a qualidade das imagens, e Yuanyuan era nossa chefa.

As condições da noite estavam sensacionais. Apesar de um pouco úmido, a atmosfera estava extremamente suave e estável. Estávamos tirando fotos principalmente nos filtros que deixam passar a luz vermelha e próxima do infra-vermelho. A razão disso era que a Lua estava no céu, e a Lua é na verdade bem azul: filtros vermelhos bloqueiam a maior parte da luz da Lua que é espalhada pela atmosfera, permitindo que galáxias vermelhas sejam vistas contra o pano de fundo escuro do céu. Em sua famosa fotografia “Monolith, the Face of Half Dome” tirada no Parque Nacional de Yosemite, Ansel Adams usou um filtro vermelho (mas não infra-vermelho) para escurecer o céu azul a plena luz do dia resultando num efeito dramático.

Às 00:28 hora local, tiramos uma foto marcada pelo número 403841, usando um filtro próximo do infra-vermelho chamado banda z. A banda z é tão vermelha que está além do espectro visível que pode ser visto pelo olho humano, mas câmeras digitais, e a Dark Energy Camera em particular, são muito sensíveis à essa radiação. Computadores no telescópio analisam cada imagem logo após sua integração e mostram os resultados em um monte de monitores, de modo que possamos dizer se estamos tirando fotos que podem entrar em nosso album cósmico. Quando 403841 apareceu, a tela mostrou uma imagem profundamente penetrante. Análises posteriores nos convenceram de que ela era de fato a imagem mais penetrante das cerca de 35.000 já tiradas pelo DES até agora, considerando os dois anos de operação.

A imagem era tão penetrante que a luz de cada estrelas estava espalhada por apenas 0,6 segundos de arco ou 0,00017 graus. Para fins de comparação, esse é o tamanho angular de uma cratera de um quilometro na superfície da Lua vista da Terra. Ou pode considerar o tamanho de um fio de cabelo humano visto a uma distância de 30 metros.

Uma pequena parte da imagem 403841 é mostrada acima com cores falsas, mostrando uma grande galáxia espiral mais um bocado de galáxias menores e fracas e algumas estrelas brilhantes da nossa Via-Láctea. A estrela dentro do círculo vermelho na parte inferior direita da imagem tem sua luz espalhada  sobre cerca de 0,6 segundos de arco. Enquanto essas imagens coloridas talvez não sejam tão bonitas quanto outras em outros casos dos Detetives da Energia Escura, essa é o mais próximo do que uma imagem crua vinda diretamente da câmera parece. As imagens digitais cruas do DES são enviadas para o National Center fof Supercomputing Applications (Centro Nacional para Aplicações Supercomputacionais) em Urbana-Champaign, Illinois (se você tem menos de 40 anos, pergunte aos seus pais se eles se lembram de mandar um filme para revelar), para prepará-las para a análise científica por nossos colegas detetives do DES.

No DES, temos uma página web chamada “direito de se gabar” onde estão as melhores imagens tiradas em cada um dos cinco filtros e onde nossa amiga 403841 agora ocupa um lugar de destaque – a melhor da melhor. Mas a melhor coisas em recordes é que eles são feitos para serem quebrados.

 

–Det. Josh Frieman [Fermilab e Universidade de Chicago]

Tradução: Det. Ricardo Ogando e Det. Flávia Sobreira

 

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The best of the best

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Second Lieutenant, Jake Jenson. West Point. Graduate with honors. We’re here because you are looking for the best of the best of the best, sir! —Men in Black

The clearest skies give the best images and provide the best clues to cosmic expansion

Scroll down through these Dark Energy Detectives case files, and you’ll see beautiful images of galaxies taken with the Dark Energy Camera. While they come in different shapes, sizes, and colors, these galaxies all have one thing in common: they’re all speeding away from our own Milky Way, at speeds of tens to hundreds of millions of miles per hour. The Universe is expanding, something we’ve known for nearly 90 years.

If we could track the speeds of each of these galaxies over time, what would we find: would they stay the same, speed up, or slow down? Since the Milky Way’s gravity tugs on them, Isaac Newton would have told us they would slow down over time, just as an apple thrown straight up in the air slows down (and eventually falls) due to the pull of Earth’s gravity. But Isaac would have been wrong, the galaxies are getting faster, not slower. The expansion of the Universe is speeding up, something we’ve known for only 17 years. The 300 detectives of the Dark Energy Survey (DES) are embarked on a five-year mission to understand why this is happening. In this quest, they’re carrying out the largest survey of the cosmos ever undertaken.

While these goals sound lofty and profound (and they are), at its core DES is really about taking pictures. Lots of them. On a typical night, DES detectives snap about 250 photos of the sky. After five years, we’ll have over 80,000 photos in our album. For each snapshot, the camera shutter is kept open for about a minute and a half to let in enough light from distant galaxies. On each image, you can count about 80,000 galaxies. When we put them all together, and accounting for the fact that we’ll snap each part of the sky about 50 times, that adds up to pictures of about 200 million galaxies, give or take.

One of the ways we’ll learn about dark energy—the putative stuff causing the universe to speed up—is by measuring the shapes of those 200 million galaxies very precisely and comparing them to each other. Imagine taking photos of 200 million people, roughly one out of every 35 people on Earth, to learn about the diversity of the human race. To gain the most information about our species, you will want all of your photos to be taken by a professional photographer under identical conditions conducive to getting the best image: good lighting, camera perfectly in focus, no jiggling of the camera or movement of your human subject during the exposure, etc. But inevitably, with 200 million photos, given the vagaries of people and circumstance, some photos will come out better than others. In some, the subject may be a bit blurred. In others, there may be too much or too little background light to see the person clearly.

In the Dark Energy Survey, we’re striving to get the best, clearest snapshots of these 200 million galaxies that we can. As professional photographers of the night sky (a.k.a. astronomers), we’re using the best equipment there is—the Dark Energy Camera, which we built ourselves—to do the job. The camera has 570 Megapixels and 5 large lenses. It has a sophisticated auto-focus mechanism to always give us the crispest images possible.

No need for a flash, since galaxies burn with the light of billions of suns.

But as with human photography, Nature doesn’t always cooperate. The Dark Energy Camera is mounted on the Blanco telescope, located at Cerro Tololo in the Chilean Andes. This site has mostly very clear nights, but occasionally, clouds roll by. Turbulence in the atmosphere, which makes stars twinkle, leads to a slight blurring of the images of stars and galaxies, even if the camera is in perfect focus. The camera works by taking pictures of all the light that reflects off the 4-meter-diameter mirror of the telescope. If a cold front moves through, making the air in the telescope dome cooler than the 15-ton mirror, plumes of hot air rising off the mirror lead to blurry images. The sharpest images are those taken straight overhead—the further away from straight up that we point the telescope, the more atmosphere the light has to pass through, again increasing the blurring; since our survey covers a large swath of the sky, we cannot always point straight up. Strong wind blowing in through the open slit of the dome can cause the telescope to sway slightly during an exposure, also blurring the picture. Since the Earth rotates around its axis, during an exposure the massive telescope must compensate by continuously, very smoothly moving to stay precisely locked on to its target; any deviation in its motion will—you guessed it—blur the image.

For all these reasons and others, the quality of the DES images varies. On some nights, conditions conspire to give us very crisp images. On others, the images are a bit more blurred than we’d like, making it harder to measure the shapes of those distant galaxies. If an image is too blurred, we don’t include it in the album: we’ll come back another night to take a photo of those particular galaxies. So far, about 80% of the photos we’ve taken have been good enough to keep.

Most nights during our observing season, we have three detectives operating the camera; each of us is there for about a week, and in the course of a season about 50 detectives rotate through, taking their “shifts.” On the night of January 27, 2015, I was in the middle of my week-long observing shift at the telescope with two fellow detectives, Yuanyuan Zhang from the University of Michigan and Andrew Nadolski from the University of Illinois at Urbana-Champaign. That night, Andrew was manning the camera, I was checking the quality of the images as they were taken, and Yuanyuan was our boss.

The conditions that night were outstanding. Although it was a bit humid, the atmosphere was extremely smooth and stable. We were mainly taking pictures using filters that let in only very red or near-infrared light. This was because the moon was up, and the moon is actually quite blue: red filters block most of the moonlight that scatters off the atmosphere from entering the camera, enabling us to see red galaxies against the dark night sky. In his famous photograph “Monolith, the Face of Half Dome” taken in Yosemite National Park, Ansel Adams used a red (but not infrared) filter to darken the blue daytime sky to dramatic effect.

At 12:28 am local time, we snapped exposure number 403841, using a near-infrared filter called the z-band. The z-band is so red that it’s beyond the visible spectrum that can be seen by the human eye, but digital cameras, and the Dark Energy Camera in particular, are very sensitive to near-infrared light. Computers at the telescope analyze each image right after it’s taken and display the results on a bank of monitors, so we can tell whether we’re taking data that passes muster for our cosmic album. When 403841 came out, the screen showed that it was an exceptionally sharp image. Further analysis convinced us that it was in fact the sharpest image of the roughly 35,000 snapshots that DES has taken so far, going back two years to the beginning of the survey.

The image was so sharp that the light from each star was spread out over only about 0.6 seconds of arc or about 0.00017 degrees. For comparison, that’s how big a crater a kilometer across on the surface of the moon looks from Earth. It’s also the angular size of a typical human hair seen at a distance of about 100 feet.

A small portion of the 403841 image is shown above in false color, showing a great spiral galaxy plus a number of smaller, fainter galaxies and a few bright stars in our own Milky Way. The star inside the red circle at the lower right of the image has its light spread out over only 0.6 arc seconds. While not as pretty as the color images of galaxies in other DED case files, this is closer to what a raw image directly from the camera looks like. The raw DES digital images are sent for processing to the National Center for Supercomputing Applications in Urbana-Champaign, Illinois (if you’re under 40, ask your parents if they remember sending film out for processing), to make them science-ready for our fellow DES detectives.

In DES, we keep a “bragging rights” web page of the sharpest images we have taken in each of the five filters we use. Our friend 403841 is now prominently displayed there—the best of the best. But the best thing about records is that they’re made to be broken.

 

–Det. Josh Frieman [Fermilab and the University of Chicago]

N.B.: we just completed a Reddit AMA on Friday, Jan 30, where we discussed the cases and evidence for dark energy and dark matter.

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Bailando en la oscuridad

 

“Trabaja como si no te hiciera falta el dinero. Ama como si nunca te hubieran hecho daño. Baila como si nadie te observara” – Satchel Paige

Un surtido de cuerpos celestes, grandes y pequeños, bailan toda la noche al son de la silenciosa tonadilla de la gravedad. En la oscuridad que yace más allá de Neptuno, esta compañía de objetos del cinturón de Kuiper (KBOs, por sus siglas en inglés), ha estado bailando como si nadie les observara, hasta ahora.

Es un baile pausado, lento, puesto que los objetos del cinturón de Kuiper tardan siglos en completar una sola órbita. Estos KBOs, cada uno de ellos de unos pocos cientos de kilómetros de tamaño, han sido descubiertos por DES durante los últimos dos años y medio (uno de ellos, fue descrito aquí anteriormente). Imagina que no sabes nada acerca de la gravedad. ¿Qué deducirías de un patrón así? ¿Cómo lo explicarías? Las leyes físicas que producen estos intrincados patrones, sin duda tienen que ser muy complejas ¿no es así?

Nuestros antepasados registraban las andanzas de los planetas noche a noche, estación a estación. Se dieron cuenta de que viajaban por el cielo a ritmos completamente dispares. A veces, parecían pararse para volver sobre sus pasos contra el mosaico celeste de estrellas fijas que servía como referencia para, al poco tiempo, retomar su viaje. Se desarrollaron modelos muy ingeniosos para dar cuenta de esta complicada danza. Pero fueron haciéndose progresivamente más enrevesados, y lo que es peor, empezaron a fallar en su descripción de nuevas observaciones que se hacían con cada vez mayor precisión.

Hicieron falta dos revoluciones científicas, la primera con Copérnico y después con Newton, para demostrar que el movimiento planetario puede ser explicado con una sencilla ecuación, la ley de la gravedad. El patrón oculto de pronto se aclaró.

La grácil pirueta que describe un KBO proviene de la combinación de dos tipos de movimiento. Su órbita, de siglos de duración, produce una deriva lenta hacia el este que lo arrastra aproximadamente lo que abarca la anchura de la cámara DECam en el cielo, cada año. Pero al estar observando estos objetos desde una plataforma móvil (¡la Tierra!) en su movimiento alrededor del Sol, observamos el KBO desde distintos puntos de vista. A veces a 150 millones de kilómetros de un lado del Sol, seis meses después desde 150 millones de kilómetros desde el otro lado y otras veces desde un punto intermedio. Esto resulta en un movimiento de ida y vuelta respecto al fondo de estrellas sobre el que se superpone el movimiento orbital del KBO. Para verlo tu mismo, simplemente extiende un dedo de tu mano delante tuya y observa cómo cambia de posición respecto a los objetos del fondo cuando mueves la cabeza.

La física intenta “destilar” el orden a partir de la complejidad, para explicar la vasta diversidad de fenómenos naturales, con un pequeño número de leyes sencillas. Más adelante, los físicos se dieron cuenta que la ley de la gravedad de Newton se quedaba corta en ciertas situaciones y fue superada por la teoría de la relatividad general de Einstein.

Hoy en día, la gravedad presenta un nuevo misterio para nuestra generación: ¿por qué se expande el universo aceleradamente? Quizás una nueva ley explique el misterio de la energía oscura con tanta elegancia y simplicidad como la ley de Newton explica el baile de los planetas. Y esa esperanza es la que mantiene a los Detectives de la Energía Oscura en pie, pacientemente escudriñando el cielo.

 

Det Dave Gerdes [Universidad de Michigan]

 

Video

Dançando no escuro

 

“Trabalhe como se não precisasse de dinheiro. Ame como se nunca tivesse sido magoado. Dance como se ninguém estivesse vendo.” – Satchel Paige

Todas as noites, um monte de objetos celestes – pequenos e grandes – dançam ao som da silenciosa melodia da gravidade. Na escuridão do espaço além de Netuno, um grupo de objetos do Cinturão de Kuiper (Kuiper Belt Objects, KBOs) dançam como se ninguém estivesse vendo – até agora.

Eles dançam lentamente, pois os objetos do Cinturão de Kuiper levam séculos para completar uma órbita. Esses KBOs, cada um com tamanho da ordem de centenas de quilômetros, foram descobertos pelo DES ao longo dos últimos dois anos e meio (um deles foi descrito nesse blog num post anterior). Vamos supor que você desconheça a existência da gravidade. O que você deduziria de um padrão como o apresentado no video? Como explicar isso? As leis que regem essas complicadas danças celestiais devem ser muito complicadas, certo?

Os povos antigos demarcavam o passeio dos planetas no céu de noite em noite e de estação em estação do ano. Eles perceberam que os planetas se moviam de uma maneira diferente: algumas vezes eles pareciam parar, virar, e se mover na direção contrária da abóboda celeste, até virarem novamente e seguirem seu rumo. Modelos engenhosos foram criados para explicar essa dança complicada. Mas eles se tornavam cada vez mais complicados, e pior, não conseguiam descrever observações mais modernas e precisas.

Duas revoluções científicas – primeiro com Copérnico e depois com Newton – foram necessárias para mostrar que o movimento planetário podia ser explicado por uma simples equação, a lei da gravitação. De repente o padrão obscuro ficou claro.

A pirueta graciosa executada pelos KBOs é produzida pela combinação de dois movimentos. A órbita centenária produz um lento deslocamento para leste que o leva ao longo de um campo da DECam por ano. Mas nós observamos esses objetos a partir de uma plataforma em movimento, o planeta Terra. A medida que a Terra segue em sua jornada em volta do Sol, observamos o KBO de diferentes perspectivas, algumas vezes a 150 milhões de quilômetros de distância de um lado do Sol, seis meses mais tarde, à mesma distância do outro lado do Sol, e em outras épocas de algum lugar entre estes dois extremos. O movimento resultante é um vai-e-vem relativo às estrelas distantes que servem como pano de fundo para a órbita do KBO. Para ter uma idéia melhor, enquanto gira sua cabeça de um lado para o outro, observe como a ponta do seu dedo se move em relação à objetos no fundo do seu campo de visão.

Um objetivo da Física é extrair ordem da complexidade, explicar uma grande variedade de fenômenos com um pequeno conjunto de leis simples. Com o tempo, físicos perceberam que a lei da gravitação de Newton falhava em algumas situações e precisava ser substituída pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein.

Hoje em dia, a gravidade confronta nossa geração com um novo quebra-cabeça de grandes proporções: Por que a expansão do universo está acelerada ? Talvez alguma nova lei irá explicar o mistério da energia escura e a dança dos planetas com a mesma elegância e simplicidade. Essa é a esperança que mantém nossos detetives da energia escura olhando pacientemente para cima.

 

Det. Dave Gerdes [Universidade de Michigan]

Tradução: Det. Ricardo Ogando e Det. Flávia Sobreira