Os cientistas agora estão usando quasares para sondar os mistérios da energia escura que existia mais de 10 bilhões de anos no passado. "Estamos vendo de volta para o universo-matéria dominada, quando a expansão foi de desaceleração e energia escura era difícil de ver", diz Martin White, professor de física e astronomia da Universidade da Califórnia, em Berkeley. "A transição de desaceleração de expansão para expansão acelerada foi uma afiada, e agora vivemos em um universo dominado pela energia escura. O maior enigma em cosmologia é, por que agora?"
O Levantamento Oscilação Baryon espectroscópica (BOSS), é o mapeamento de um volume enorme de espaço para medir o papel da energia escura na evolução do universo. BOSS é o maior programa do terceiro Sloan Digital Sky Survey ( SDSS-III ) e acaba de anunciar o primeiro grande resultado de uma nova técnica de mapeamento, com base nos espectros de mais de 48.000 quasares com redshifts acima de 3.5, o que significa que a luz deixou estes galáxias ativas até 11,5 bilhões de anos para o passado.
A imagem de raios-X acima mostra o quasar PKS 1127-145, uma fonte altamente luminoso de raios-X e luz visível localizado cerca de 10 bilhões de anos luz da Terra. Seu jato de raios-X se estende pelo menos um milhão de anos-luz do quasar.
"Nenhuma técnica para a investigação da energia escura tem sido capaz de detectar este era antiga antes, um tempo quando a matéria ainda era densa o suficiente para a gravidade desacelerar a expansão do universo, ea influência da energia escura ainda não tinha sido sentida", diz diretor BOSS investigador David Schlegel, um astrofísico da Divisão de Física do Departamento de Energia dos EUA do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). "No nosso tempo, a expansão está se acelerando porque o universo é dominado pela energia escura. Como a energia escura feita a transição de desaceleração para a aceleração é uma das questões mais difíceis na cosmologia."
Duas maneiras de medir a expansão do universo como uma colaboração internacional, muitos de cujos principais cientistas estão presentes ou ex-membros do Berkeley Lab, estudos BOSS energia escura por oscilações de mapeamento bariônicas acústicas ( BAO ) - a rede em grande escala de variações na distribuição de galáxias visíveis e difíceis de ver nuvens de gás intergaláctico, que também revelam impossíveis de ver a matéria escura. O espaçamento regular de picos de densidade de matéria originado em variações de densidade primordiais, cujos restos são visíveis na radiação cósmica de fundo em microondas .Este espaçamento proporciona uma régua cósmica para calibrar a taxa de expansão onde BAO pode ser medido.
Usando o telescópio Sloan Foundation no Apache Point Observatory , no Novo México, BOSS montou uma investigação em duas frentes espectroscópica de BAO. A primeira prioridade é fazer um levantamento normais galáxias com desvios para o vermelho até 0,8, cerca de sete bilhões de anos para o passado, os primeiros resultados da pesquisa galáxia, que incluiu mais de 300 mil galáxias, foi anunciado em março de 2012. Mas coletando galáxias suficientes em redshifts altos o suficiente para mapa BAO no universo muito cedo não pode ser feito com um telescópio de 2,5 metros. Assim alvo BOSS da segunda: quasares.
" Quasares são os objetos mais brilhantes do céu, e, portanto, a única maneira confiável para medir espectros para 2,0 redshift e além ", diz Schlegel. "Nessas redshifts há galáxias de uma centena de vezes mais do que os quasares, mas eles são muito fracos para usar para BAO." Quasares são demasiado escassa para medir BAO diretamente, mas não há outra maneira eles revelam BAO em redshifts altos.
Como a luz de um quasar passa por nuvens de gás intergaláctico em seu caminho para a Terra, seu espectro desenvolve uma infinidade de linhas de absorção de hidrogénio conhecidas como floresta de Lyman-alfa .Idealmente, cada linha de absorção no "mato", revela onde a luz do quasar passou por uma nuvem de gás de intervenção. Como uma lanterna único visto através da neblina, as saliências e as diferentes redshifts das linhas de absorção no espectro de cada um único quasar revelam a forma como a densidade do gás varia com a distância ao longo da linha de visão.
Com quasares suficientes, perto o suficiente e que cobrem uma vasta extensão do céu, a distribuição de intervir nuvens de gás pode ser mapeado em três dimensões. A ideia foi avançado no início de 2000 por Patrick McDonald, em seguida, no Instituto Canadense de Astrofísica Teórica e Martin White, agora no laboratório de Berkeley.
"Quando eu apresentei essa idéia para uma conferência de cosmologistas em 2003, eles pensaram que era uma loucura", diz White, que também é a cadeira do chefe equipes de pesquisa científica. "Nove anos depois, BOSS tem mostrado que é uma técnica incrivelmente poderoso. Conseguiu além dos nossos sonhos."
Até recentemente, mapas tridimensionais por BOSS (ponto vermelho, à direita do centro) e outras pesquisas foram capazes de medir a distribuição regular de galáxias de volta a uma média de apenas cerca de cinco bilhões e meio de anos atrás, um tempo em que a expansão da o universo já estava acelerando. Medições quasar chefe (ponto vermelho, à esquerda), através da medição da distribuição do gás intergaláctico, já sondou a estrutura do universo inicial numa altura em que ainda estava retardando a expansão sob a influência da gravidade. Os dados quasar dá novo acesso à transição de desaceleração para aceleração causada pela energia escura. (Gráfico por Zosia Rostomian, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, e Ross Nic, BOSS Lyman-alfa equipe, Berkeley Lab).
SDSS-III é espectrógrafo muito mais sofisticado, cuja construção foi dirigido por Natalie Berkeley Lab Roe, permite uma cobertura muito melhor e resolução do que as pesquisas anteriores, mas procurando BAO na floresta de Lyman-alfa era ainda uma proposição de alto risco, por muitas razões. Linhas Lyman-alfa absorção ocorrem na parte ultravioleta do espectro, a qual é absorvida pela atmosfera da Terra, a partir do chão, apenas aquelas cujos espectros são quasares redshifted a quantidade certa são úteis. As linhas marcar apenas hidrogênio neutro; mais hidrogênio no universo é ionizado. Entre outras incertezas, aquecimento irregular de nuvens de hidrogênio, ou quasares demais muito juntos, poderiam distorcer o sinal de agrupamento.
"Comparado com uma pesquisa galáxia, procurando BAO na floresta de Lyman-alfa é legal - de alto risco, mas a recompensa de alta", diz Nicholas Berkeley Lab Ross, que liderou a equipe de seleção de destino. Para pegar espectro do quasar suficiente para mapear agrupamento - um mínimo de 15 a 20 quasares por grau quadrado do céu - BOSS teria que dedicar 10 por cento dos dois milhões de metas individuais durante a sua execução de cinco anos para os quasares possíveis. Os alvos tinham de ser escolhidos a partir de dados fotométricos (brilho de um objeto em cores diferentes), mas só depois de os espectros foram tomadas seria a equipe ter certeza de que as metas foram quasares reais e que eram estrelas ou algum outro quasar imitar.BOSS aproveitou a chance.
"Nós tínhamos uma coisa em nosso favor", diz Ross. "Não importa que tipo de quasar que fosse, desde que foi elevado redshift Para identificá-los podemos usar dados de ultravioleta, infravermelho próximo de dados -. Nenhum método, qualquer truque - porque estávamos indo só para usá-los como backlights para sondar os intervenientes nuvens de gás. Finalmente descobrimos que todos os nossos algoritmos de seleção funcionou bem. " * Procurar o sinal O resultado Lyman-alfa inicial - o primeiro mapa de BAO nesta fase muito precoce da evolução do universo - é baseado em apenas um terço do volume de espaço que BOSS acabará por mapear, e inclui 60.369 quasares confirmados por inspecção visual do seu espectro. Mas, para simplificar a busca de BAO, muitos deles foram descartados.
"Para obter BAO a partir dos dados, temos que remover artefatos que distorcem o sinal de que estamos procurando", diz Carithers Berkeley Lab Bill. Uma classe de rejeitos é quasares absorção larga de linha, cujos espectros foram manchadas por gás extremamente rápido movimento de centro ativo do quasar. Outra classe são quasares cujos espectros ter "amortecido Lyman-alfa calhas", que acontece, Carithers diz, "quando a luz do quasar é executado em uma moita muito, muito grande de gás, tão grande que apaga a floresta."
Com espectros inútil removido, BOSS ficou com 48.129 quasares. Em maio de 2011, uma equipe liderada por Anže Slosar do Laboratório Nacional Brookhaven, anteriormente no laboratório de Berkeley, demonstraram a praticidade de medir a densidade variando de gás hidrogênio intergaláctico a distâncias cosmológicas usando apenas 14 mil quasares BOSS - o suficiente, disse Slosar ", para estabelecer uma prova de conceito. "
"Nós não usamos a informação específica em uma única linha de visão, nós olhamos para as correlações entre muitos", diz Carithers. "BOSS é a primeira a fazer isso porque temos quasares suficientes - com muito poucos, você não pode ver o padrão." Além de ajudar a converter os dados brutos do telescópio em informação científica útil, Stephen Berkeley Lab Bailey foi o encarregado de gerar conjuntos de dados simulados - chamados de "zomba" - para garantir que a análise era confiável.
"As simulações são importante quando você está tentando medir algo que nunca foi medido antes", diz Bailey. "Nós sabemos onde os quasares são reais e nós sabemos o que a física do gás é, mas não sabemos onde está o gás. Nossas simulações foram baseadas nas posições e redshifts dos quasares reais, mas com espectro de simulação que deu distribuições de gás diferentes. Se pudéssemos ver a distribuição simulado em uma análise, devemos vê-lo em tudo. "
No final, depois de processamento de dados e geração de espectros simulado no cluster Linux Riemann de computadores fornecidos pelo Alto Desempenho Berkeley Lab Grupo de Serviços de Informática, as análises concorrentes da floresta de Lyman-alfa de mais de 48 mil quasares todos deram resultados semelhantes. As técnicas analíticas utilizadas neste relatório foram desenvolvidos por Andreu Font-Ribera e seus colaboradores entre Grupo chefe Participação francesa. Aplicada ao espectro do quasar real, eles produziram um quadro de distribuições de densidade que, diz Bailey, "nos dá uma primeira olhada em BAO nesta região anteriormente oculta."
"Não há outra maneira crível que poderíamos ter medido BAO em redshifts de dois ou mais, diz Schlegel." Cinco anos atrás, era arriscado, mas foi a única proposta sobre a mesa. Nós poderíamos ter falhado em qualquer número de maneiras, mas a natureza foi bom para nós. "
É um BOSS questão vai muito para iluminar, pois arrecada mais de um milhão e meio de galáxias e quasares mais de 160.000 antes do SDSS-III é completa. Enquanto isso, a floresta de Lyman-alfa, abriu uma nova visão do universo antigo, que pode vir a fruição plena com os futuros levantamentos, mais poderosos, como os BigBoss propostas.
A imagem em baixo mostra a luz de quasares distantes (pontos a esquerda) é parcialmente absorvido à medida que passa através da nuvem de gás de hidrogénio. A "floresta" de linhas de absorção de hidrogénio no espectro de um quasar indivíduo (no detalhe) aponta aglomerados densos de gás ao longo da linha de visão, e os espectros são recolhidos por espectrógrafo do telescópio (quadrado à direita). Antes BOSS, o Sloan Digital Sky Survey havia coletado espectros de 10 vezes menos quasares (pontos amarelos) por grau quadrado do céu na faixa acessível redshift, o que corresponde em média a cerca de 10 bilhões de anos atrás. Ao medir os espectros dos quasares muito mais nesta faixa (pontos vermelhos), BOSS pode reconstruir um mapa tridimensional do gás de outra forma invisível, revelando a estrutura em larga escala do início do universo. Ilustração por Zosia Rostomian, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley; Ross Nic, Lyman-alfa chefe de equipe, laboratório de Berkeley, e et al Springel, Consórcio Virgem e Instituto Max Planck de Astrofísica.
Mais informações:. "Oscilações acústicas Baryon na floresta Lyα de quasares chefe", por NG Busca et al, foi submetido à Astronomia e Astrofísica e está disponível no servidor de preprint arXiv. BigBoss levantamento referência bigboss.lbl.gov / Jornal: Astronomia e Astrofísica.
O Galaxy Diário via Lawrence Berkeley National Laboratory
Créditos de imagem: LBNL e NASA
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