A project of the Dark Energy Survey collaboration

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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]

 


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Una sopa cósmica con fundamento

 

En lo más profundo del cosmos, entre las fuerzas oscuras y las energías que le dan vida, arde una llama sobre la que cuece… un caldo.

La historia de la expansión del universo está dominada por la materia y la energía oscura. Sin embargo, son los elementos cotidianos de la tabla periódica los que nos permiten estudiarlo y entender su historia. En esta entrada os proporcionamos una pizca de las ideas sobre cómo comenzó su existencia esta sopa cósmica de elementos.

Casi todos los elementos se crearon en la primera media hora tras el Big Bang. El potaje resultante resultó más bien soso: nueve núcleos de hidrógeno (un protón) por cada núcleo de helio (dos protones) y casi nada del resto. Incluso rebuscando entre mil millones de núcleos, tendrías suerte si encontraras algún sabroso litio de tres núcleos.

Afortunadamente, en los 13700 millones de años posteriores, las cosas se pusieron un poco más interesantes. La fusión nuclear, tan difícil de reproducir en la Tierra, es habitual en las estrellas. Gracias a ella existe el carbono de nuestras células y el hierro de nuestra sangre.

El sabor, densidad y temperatura de esta sopa de elementos varía considerablemente. Pensad en nuestro propio Sistema Solar: desde las presiones y temperaturas extremas del núcleo del Sol, hasta el frío vacío interplanetario. Estas variaciones se repiten por toda la Vía Láctea y en el resto de las galaxias.

Estos tres hechos, que la mayoría de los elementos se crearon poco después del Big Bang, que el universo se enriqueció después y la enorme variabilidad de condiciones para dichos elementos, suponen una gran ventaja para el proyecto Dark Energy Survey.

Tomad como ejemplo los cúmulos de galaxias, como los que aparecen en la presentación que encabeza esta entrada (y descritos con más detalle más abajo). Estas estructuras son tan enormes, que pueden considerarse “mini-universos” por derecho propio. Los cúmulos contienen varias docenas de galaxias, a veces cientos. Entre ellas existe un velo de gas tenue.

Tanto el gas como las galaxias están atrapadas dentro de los confines del cúmulo por la materia oscura. Podría decirse que la materia oscura actúa como la tapa de una cacerola. Así como la tapa evita que se evapore todo el agua, la materia oscura evita que las galaxias, muchas de las cuales se mueven a más de un millón de kilómetros por hora, se dispersen.  Sin embargo, en las fronteras de los cúmulos de mayor tamaño, la energía oscura empieza a competir seriamente con la gravedad, y algunas de las galaxias se ven arrancadas de su cúmulo original. Esta competición entre energía oscura y gravedad a estas escalas es lo que convierte a los cúmulos en magníficas sondas para explorar la energía oscura.

Las partículas de gas se hallan tan calientes que los electrones (cargados negativamente) y los núcleos (cargados positivamente) se separan convirtiendo el gas en un plasma. Éste brilla con intensidad en la zona de los rayos X en el espectro electromagnético, que puede ser detectado por satélites como XMM-Newton y Chandra. El plasma también crea una sombra en el Fondo Cósmico de Microondas (el pulso de luz emitido en todas direcciones unos pocos cientos de miles de años después del Big Bang), de manera que también puede detectarse por radiotelescopios como el South Pole Telescope.

Por contra, los elementos atrapados en las estrellas se hallan mucho más fríos, y a densidades muy superiores, y brillan con fuerza con luz visible. La luz de las estrellas no sólo permite detectar cientos de miles de cúmulos, sino también medir la distancia a los mismos (a través de una técnica conocida como desplazamientos al rojo fotométricos), y hacer estimaciones preliminares de sus masas. Estos valores de masa han de ser refinados antes de poder usar estos cúmulos para hacer cosmología, y la información del plasma de los telescopios de rayos X y radio es esencial para eso.

En la presentación de arriba mostramos varios ejemplos de los cientos de cúmulos registrados por el Dark Energy Survey que han sido observados también por el muestreo de cúmulos de XMM-Newton. La intensidad de la emisión del plasma caliente se indica con los contornos rojos. Los especialistas en rayos X trabajan con ambos conjuntos de datos (luz visible y rayos X) para calibrar las masas de los cúmulos del Dark Energy Survey.

Por último, ¿por qué decimos en el título con “fundamento”? Bueno, resulta que “fundamento” es sinónimo de “quintaesencia”, y este es el término adoptado por los cosmólogos como palabra comodín para referirse a las teorías que permiten una variación en el tiempo en las propiedades de la energía oscura.

 

Detective Kathy Romer [Universidad de Sussex]

Imagen: Detectives Phil Rooney [Universidad de Sussex] y Chris Miller [Universidad de Michigan].

Traducción: Nacho Sevilla

 


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Nosso emaranhado escuro: pistas da energia escura

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Oculto sob um mar de luz, um padrão complexo sussurra e muda lentamente. Este é composto de forças cósmicas praticamente invisíveis. Nesse espaço que separa amontoados de galáxias jaz um espaço vazio e árido. Contudo, enquanto cada galáxia, com seus bilhões de estrelas, tem uma história única de nascimento e evolução, devemos tomar cuidado para não deixar de ver a floresta por conta das árvores. Tomado como um todo, o padrão de aglomerados e vazios em nossos mapas de galáxias podem nos dizer muito sobre as forças escuras que dão forma a nosso universo.

Sloan Digital Sky Survey: Galaxy Map

Levantamento Digital do Céu Sloan (Sloan Digital Sky Survey): Mapa de Galáxias Mapa de galáxias pelo SDSS que alcança até 2 bilhões de anos-luz. Pontos vermelhos e verdes indicam a posição de galáxias, onde pontos vermelhos indicam uma maior densidade de galáxias. Áreas totalmente pretas são partes do céu que são inacessíveis ao levantamento. (Veja também o vôo através do SDSS.)

Olhando a imagem da Camera da Energia Escura (Dark Energy Camera, acima), podemos ver um monte de objetos celestes, incluindo manchas de diferentes cores: azul, vermelho, e amarelo, muitas das quais são galáxias distantes. Pode parecer que elas estão distribuídas aleatoriamente no cosmo. Entretanto, astrônomos mapeando a posição de galáxias espalhadas ao longo de grandes distâncias verificaram que elas estão organizadas em estruturas, em padrões cósmicos que atravessam trechos do tempo e espaço muito maior do que o visto nessa imagem. A figura à direita, do Sloan Digital Sky Survey, mostra um mapa com milhões de galáxias. Essas galáxias parecem se aglomerar em nós e filamentos (áreas com muitas galáxias), deixando para trás espaços vazios (regiões com menos galáxias ou nenhuma galáxia). Algumas das estruturas filamentares se estendem por bilhões de anos-luz – 60 trilhões de vezes a distância entre a Terra e o Sol.

Como qualquer bom detetive, não podemos ignorar um padrão. Como galáxias, separadas por bilhões de anos-luz, se distribuem nessa grande estrutura cósmica que vemos hoje? Parece que o “chefe” dessa operação cósmica é um conhecido amigo (e inimigo) dos terráqueos: a força da gravidade.

Usando simulações feitas em computadores, astrônomos são capazes de investigar como a gravidade atua em tantas galáxias separadas por distâncias tão grandes. A Simulação Millenium, e outras como ela, mostram que uma distribuição inicial quase aleatória de matéria vai naturalmente se concentrar em filamentos e vazios através da atuação da força da gravidade. Quando comparamos estatisticamente os resultados das simulações com nossos dados (observações de muitas galáxias), os padrão encontrados são os mesmos: a influência da gravidade universo afora produziu essa grande estrutura filamentar, a qual é chamada, “A Teia Cósmica”.

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Simulação Millenium: áreas mais brilhantes representam maiores concentrações de matéria e galáxias. (Voe através dessa simulação nesse vídeo)

Mas qual é a importância disso para detetives trabalhando no Dark Energy Survey? Bom, ao que tudo indica, a força da gravidade tem um arqui-inimigo em seu objetivo de criar uma grande teia que atravessa todo o universo: a energia escura, uma força invisível que causa a expansão acelerada do espaço por todo o universo. Quanto mais rápido o espaço se expande e acelera, maior as distâncias que galáxias tem que viajar para formar filamentos e aglomerados. Se existe mais energia escura, a gravidade precisa de mais tempo para juntar galáxias, e a estrutura em forma de teia leva mais tempo para se formar. Se não existe energia escura, a teia é feita rapidamente. Ao estudar a velocidade com que a teia cósmica é construída ao longo do tempo, podemos revelar o quão forte foi a energia escura e se ela está ficando mais forte ou mais fraca.

A batalha entre gravidade e energia escura, contada através da evolução de estruturas na teia cósmica, é chave para estudar a energia escura. De fato, a teia cósmica é especialmente importante para responder uma pergunta bem específica: será que existe mesmo a energia escura?!?

A maioria dos astrônomos concorda que existe um grande número de evidências da expansão acelerada do universo. Por diversas razões, a fonte mais aceitável dessa aceleração é algum tipo de nova força ou de outra forma, de uma energia oculta, “escura”. Mas a principal teoria alternativa é a mudança das leis da gravidade (especificamente, das leis da Teoria da Relatividade Geral de Einstein). Já que físicos e astrônomos testaram exaustivamente as leis de Einstein na Terra, no Sistema Solar, e em galáxias, essa mudança só se manifestaria em escalas maiores. Isso poderia estar causando a aparente aceleração cósmica, de tal forma que não existiria realmente uma energia escura.

Essa segunda hipótese rescreveria nossos arquivos sobre a teia cósmica. Talvez ao invés de uma luta contra a energia escura, a gravidade não tenha o mesmo efeito previsto quando observada ao longo de bilhões de anos-luz. Medidas dessa teia, em conjunto com outras da aceleração cósmica, são fundamentais para nos dizer se nosso universo é um campo de batalha para a energia escura e a gravidade, ou se a gravidade é simplesmente diferente do que pensávamos anteriormente. Seja qual for a conclusão (e quem sabe até uma mais estranha ainda) ela significa uma profunda revisão de nosso entendimento do funcionamento do universo.

A medida que o Dark Energy Survey coleciona mais e mais belas imagens de centenas de milhões de galáxias ao longo de seus cinco anos de duração, nossos detetives vão analisar cuidadosamente suas posições, traçando a teia cósmica, na esperança de identificar que forças estão trabalhando na escuridão.

 

Detetive Ross Cawthon (Universidade de Chicago)

Imagem: Det.’s Marty Murphy e Reidar Hahn

Tradução: Det. Ricardo Ogando


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神秘而错综复杂的宇宙网络:暗能量寻踪

DES0006-4123_20141218_00_gri_20141219_000.edit1.0_950px星海之下,有一个复杂的网络一直在窸窣缓慢地变动着。这一网络由暗黑,近乎不可感知,却又作用于整个宇宙的势力构建。星系成堆成簇,在团簇之间,又穿插了空旷贫瘠的空间。虽然每一个包含了上亿星星的星系都有自己独特的出生和演化故事,我们可不会因此一叶障目。作为一个整体,星系网络上的团簇和空洞可以帮助我们研究决定了宇宙地貌的暗黑势力。

 

Sloan Digital Sky Survey: Galaxy Map

斯隆数字巡天绘制的一直延伸到到20亿光年处的星系分布图。红色和绿色的点显示的是星系的位置,红色的点表示星系的密度较高。本图中完全为黑色的扇形是斯隆巡天没有观测的区域。 (另见SDSS fly-through.)

暗能量相机拍摄的照片(上图)里有无数天体,其中也包括了一些或蓝或红或黄的模糊斑迹,这些斑迹很多都是极为遥远的星系。这些星系也许看起来像是在宇宙中随机分布的。但是,通过在极大尺度上对它们进行定位,天文学家们发现星系的分布有一定的结构,虽然这些结构延伸的空间和时间要比上图中看到的大的大的多。右边由斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey)制作的插图中展示的是几百万个星系的分布图。这些星系有时候聚集成团或延伸成线(有比较多的星系),有时候又规避出一个个的空洞(没有或只有很少的星系)。要知道,这些点线状的结构可以延伸几十亿光年——是地球到太阳距离的60万亿倍!

像所有优秀的侦探员一样,我们暗能量侦探是不会放弃对这种有组织有计划的事情追根溯源的。那么问题来了,这些相距几十光年的星系又是怎样形成我们今天所看到的巨大网络的呢?这一鬼斧神工的操盘手其实是我们熟悉的朋友(也可以说是敌人)—— 在地球上就可以感受得到的万有引力。

 

通过计算机模拟,天文学家们已经研究了引力如何在大距离上运作于星系之间。“千禧模拟”(Millennium Simulation) 和一些类似的模拟项目显示,随机分布的物质在引力的作用下会自然而然地形成团,线,和孔洞状结构。统计比较模拟结果和采集的数据(对许多星系的观测),我们发现两者结构的分布是一样的:引力的确影响了整个可见的宇宙,并促成了这些宏伟壮观的丝网状结构,这一网络又被称作“宇宙网络”(cosmic web)。

 

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千禧模拟:较亮的区域物质和星系更为集中。 (另见 fly-through video).

那么问题又来了,这些东西和暗能量巡天项目(Dark Energy Survey)的侦探们有什么关系呢?其实,引力在搭建宇宙网络这件事情上有一个死敌,就是“暗能量”——那股导致宇宙加速膨胀的势力。宇宙加速膨胀的越快,星系们就需要移动更大的距离以形成团线结构。暗能量越多,引力牵引星系需要的时间就越长,宇宙网络的形成就越慢。若是没有暗能量,宇宙网络的形成便会很快。通过研究宇宙网络形成的快慢,我们可以探知暗能量的强弱以及它的强度是否随时间变化。

 

引力和暗能量的对立状况会反映到宇宙网络的演化史上,这是我们可以研究暗能量的关键。事实上,宇宙网络对确定暗能量是否存在也起到至关重要的作用。

 

大多数的天文学家都承认:宇宙加速膨胀的证据无可置疑。出于很多原因,加速的最可行释源是一种新的但不可见的力量,也即“暗”能量。第二可行的理论解释是引力定律有异常(尤其是爱因斯坦广义相对论)。既然物理和天文学家们已经无数次在地球上,太阳系甚至星系之间证实了爱因斯坦的理论,引力定律的异常只能表现在更大的尺度上。这一异常也可以导致宇宙表面上的加速膨胀,暗能量理论也就不需要了。

 

第二个假设如果成立,我们得重写上述关于宇宙网络的文案。也许引力没有暗能量这个敌人,它只是在几十亿光年的尺度上不如我们预料的那样有效。要想知道引力是不是在和暗能量打架,亦或是引力是否有异常,观测宇宙网络的性质并与其他测量宇宙加速膨胀的方法相结合, 是回答这一问题的关键。这一研究的任何结果(甚至可能有稀奇古怪的结果)都意味着我们对宇宙的认识有了重大进步!

 

五年间,暗能量巡天会拍摄几亿星系的美丽图片。我们的暗能量侦探们正在对这些星系谨慎定位,进而描绘我们的宇宙网络,以借此探究运作于整个网络背后的神秘力量。

 

作者:暗能量侦探 罗斯· 克罗森 , 芝加哥大学(Ross Crawthon, University of Chicago)

图片编辑:  暗能量侦探 马蒂· 墨菲 (Marty Murphy), 瑞达· 哈恩 (Hahn)

翻译:暗能量侦探 张Y(Y. Zhang)

翻译编辑:暗能量侦探 李T (T. Li)

 


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Nuestra oscura y enmarañada telaraña: pistas sobre la energía oscura

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Un intrincado y sutil patrón que cambia lentamente, acecha bajo un mar de luz. Se construye a partir de fuerzas cósmicas en la sombra, casi invisibles. Entre agrupaciones y marañas de galaxias yacen inmensos vacíos. Y mientras que cada galaxia, con sus miles de millones de estrellas, tiene una historia y evolución únicas desde su nacimiento, no perdemos de vista el bosque por culpa de los árboles. En su conjunto, el patrón de cúmulos y vacíos en nuestros mapas de galaxias puede informarnos acerca de las fuerzas oscuras que dan forma a nuestro universo.

Sloan Digital Sky Survey: Galaxy Map

Mapeado de las galaxias con el Sloan Digital Sky Survey hasta dos mil millones de años de distancia. Los puntos rojos y verdes indican las posiciones de las galaxias, siendo los rojos los que indican una mayor densidad de galaxias. Los sectores negros en los laterales son regiones del cielo inaccesibles por el proyecto.

Observando la imagen de la Cámara de Energía Oscura (arriba), vemos multitud de objetos celestes, incluyendo varias manchas azules, rojas y amarillas, muchas de las cuales son galaxias distantes. Podría parecernos que estas galaxias están distribuidas aleatoriamente por el cosmos. Sin embargo, los astrónomos que mapean sus posiciones a lo largo de grandes distancias, han averiguado que se hallan organizadas en estructuras de escala cósmica que abarcan inmensas regiones del espacio y el tiempo, mucho más amplias de lo que puede capturar esta imagen. En la figura de la derecha, del proyecto Sloan Digital Sky Survey, muestra este mapa para millones de galaxias. Éstas se acumulan en “grumos” y “filamentos” (zonas con muchas galaxias), dejando grandes vacíos entre ellos (con pocas o ninguna galaxia). Algunas de estas estructuras filamentarias se extienden a lo largo de miles de millones de años-luz, es decir, ¡60 billones de veces la distancia de la Tierra a la Luna!

Como buenos detectives, no podemos ignorar un patrón como éste. ¿Cómo pueden las galaxias, separadas por distancias hasta miles de millones de años-luz, coalescer finalmente en estas grandes estructuras cósmicas que vemos hoy en día? La “mente” detrás de esta operación cósmica es un viejo amigo (y enemigo) nuestro aquín en la Tierra: la fuerza de la gravedad.

Usando simulaciones por ordenador, los astrónomos investigan cómo funciona la gravedad entre tantas galaxias y a distancias tan enormes. La simulación Millenium y otras como ella, muestran que una distribución aleatoria de materia se acumula de manera natural en filamentos y vacíos a través de la fuerza de la gravedad. Cuando comparamos estadísticamente los resultados de las simulaciones con nuestros datos (observaciones de muchas galaxias),  los patrones son los mismos: la influencia de la gravedad a través del universo visible ha creado esta descomunal estructura filamentaria, que ha sido denominada la “telaraña cósmica”.

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La simulación Millenium: las áreas más brillantes se corresponden a aquellas en las que existe una mayor concentración de materia y galaxias (puedes ver más sobre esta simulación en este vídeo).

 ¿Qué significa ésto para los detectives que trabajan en el Dark Energy Survey? Resulta que la gravedad tiene un némesis contra el que lucha en su objetivo de crear esta ordenada telaraña: la energía oscura, la fuerza invisible causante de la expansión acelerada del espacio en nuestro universo. Cuanto más rápido crece el espacio con esta aceleración, mayores son las distancias que deben viajar estas galaxias para formar filamentos y cúmulos. Si hay más energía oscura, la gravedad necesita más tiempo para atraer a las galaxias entre sí, y la telaraña se forma más lentamente. Si no hubiera energía oscura, la telaraña se construiría con mayor rapidez. Estudiando a qué velocidad se ha generado esta telaraña aprendemos cómo ha evolucionado la intensidad de la energía oscura, y cómo lo hará en el futuro.

 

La evolución de la estructura de la telaraña cósmica es clave para entender la batalla entre la gravedad y la energía oscura y estudiar esta última. Sirve además para contestar una pregunta muy concreta: ¿existe siquiera la energía oscura?

La mayor parte de los astrónomos está de acuerdo en que hay una evidencia aplastante para la existencia de la aceleración cósmica. Por varias razones, la hipótesis más plausible para explicar la misma parece ser una nueva fuerza o una nueva e invisible energía “oscura”. La alternativa más sólida es las posibilidad de que haya que cambiar las leyes que hemos establecido para la gravedad (concretamente, la teoría de la relatividad general de Einstein). Debido a que físicos y astrónomos han probado estas leyes en numerosas ocasiones tanto en la Tierra como en el Sistema Solar y en el interior de las galaxias, este cambio sólo podría manifestarse como un efecto a escalas mucho más grandes. Un cambio en estas leyes podría estar causando la impresión de que existe una aceleración cósmica si aplicamos la formulación incorrecta, de tal modo que no existiría la energía oscura.

 Esta segunda hipótesis re-escribiría nuestro caso sobre la telaraña cósmica. Quizás en vez de estar luchando contra una fuerza desconocida (la energía oscura), lo que ocurre es que simplemente la gravedad no se propaga de la manera que esperábamos, a grandes distancias. Las medidas de la telaraña cósmica, junto con otras medidas de la aceleración cósmica, serán claves para desentrañar si estamos ante un campo de batalla entre la gravedad y la energía oscura, o si simplemente la gravedad funciona de manera diferente a lo que imaginábamos. Cualquiera de estas conclusiones (¡o quizás alguna incluso más extraña!) supondrá una revisión fundamental de nuestras nociones sobre cómo funciona el universo.

A medida que el Dark Energy Survey acumula más y más imágenes hermosas de cientos de millones de galaxias durante los próximos cinco años, nuestros detectives seguirán registrando cuidadosamente sus posiciones, mapeando la telaraña, esperando identificar qué fuerzas están actuando en la oscuridad.

 

Detective Ross Cawthon

Imagen: Detectives Marty Murphy y Reidar Hahn

Traducción: Nacho Sevilla


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Our dark, tangled web: Clues of dark energy

DES0006-4123_20141218_00_gri_20141219_000.edit1.0_950pxLurking beneath a sea of light, an intricate pattern rustles and changes ever so slowly. It is built from dark, and nearly invisible, cosmic forces. Amidst the clumps and knots of galaxies lay empty, usually fallow spaces. While each galaxy, with its billions of stars, has a unique story of birth and evolution, we don’t miss the forest for the trees. Taken as a whole, the pattern of clusters and voids in our galaxy maps can tell us about the dark forces that shape our universe.

Sloan Digital Sky Survey: Galaxy Map

Mapping of galaxies by the Sloan Digital Sky Survey out to 2 billion light-years away. Red and green points indicate positions of galaxies, with red points having a larger density of galaxies. The fully black areas on the sides are parts of the sky inaccessible to the survey. (See also the SDSS fly-through.)

Looking at the image from the Dark Energy Camera (above), we can see a plethora of celestial objects, including many blue, red and yellow smudges, many of which are distant galaxies. It may appear that these galaxies are randomly strewn about the cosmos. However, astronomers charting the locations of these galaxies across large distances have found that galaxies are organized into structures, into cosmic patterns that can span swaths of space and time much larger than what is seen in this image. The figure on the right, from the Sloan Digital Sky Survey, shows a map of millions of galaxies. These galaxies appear to cluster into knots and filaments (areas with many galaxies), and leave behind voids (areas with few or no galaxies). Some filamentary structures stretch across a billion light-years  – 60 trillion times the distance from the Earth to the Sun!

Like any good detective, we cannot ignore a pattern. How do galaxies, separated by up to billions of light-years, eventually coalesce into the great cosmic structures we see today? It turns out the ‘mastermind’ of this cosmic operation is a familiar friend (and foe) to us on Earth: the force of gravity.

Using computer simulations, astronomers have investigated how gravity acts among so many galaxies over such very large distances. The Millennium Simulation, and others like it, show that a mostly random distribution of matter will naturally cluster into filaments and voids through the force of gravity. When we statistically compare the simulation results to our data (observations of many galaxies), the patterns are the same: gravity’s influence throughout the visible universe has fostered this grand filamentary structure, which has been dubbed, “The Cosmic Web.”

Millennium simulation: https://i2.wp.com/www.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/seqB_063a_half.jpg

The Millennium Simulation: brighter areas are where more matter and galaxies have concentrated. (See more of this simulation in this fly-through video).

 

What does this mean for the detectives working on the Dark Energy Survey? It turns out that gravity has a nemesis in its goal for creating web-like order across the universe: dark energy, the invisible force causing the accelerated expansion of space throughout the universe. The faster space grows and accelerates, the greater the distances galaxies must travel to form filaments and clusters. If there is more dark energy, gravity needs more time to pull galaxies together, and web-like structure develops slowly. If there is no dark energy, the web gets built quickly. By studying how quickly or slowly the cosmic web was built across time, we learn how strong dark energy has been and if it is growing stronger or weaker.

The battle between gravity and dark energy, manifested in the evolving structure of the cosmic web, is a key way to study dark energy. In fact, the cosmic web is particularly important for answering one specific question: is there even dark energy at all?!

Most astronomers agree that there is overwhelming evidence for the accelerated expansion of the universe. For many reasons, the most plausible source of this acceleration is some new force or otherwise unseen, “dark” energy. The leading alternative theory though is a change in the laws of gravity (specifically, in Einstein’s laws of general relativity). Since physicists and astronomers have tested Einstein’s laws numerous times on Earth, the Solar System, and within galaxies, the change would only manifest itself at much larger distance scales. It could be causing the appearance of cosmic acceleration, such that there might be no dark energy.

This second hypothesis would re-write our case file on the cosmic web. Perhaps instead of fighting against dark energy, gravity is just not carrying quite the influence across billions of light years that we’ve predicted. Measurements of the cosmic web, in conjunction with other measures of cosmic acceleration, will be key in telling us whether our universe is a battleground for dark energy and gravity, or if gravity is just different than previously thought. Either conclusion (or perhaps an even stranger one!) would signify a fundamental revision in how we think about the workings of our universe.

As the Dark Energy Survey collects more beautiful images of hundreds of millions of galaxies over a five-year span, our detectives will be carefully logging their positions, charting out the cosmic web, hoping to identify what forces are at work in the dark.

Detective Ross Cawthon (University of Chicago)

Image: Det.’s Marty Murphy and Reidar Hahn